Bioremediacja zanieczyszczeń ropopochodnych

Zanieczyszczenia ropopochodne wprowadzone do gleby rozprzestrzeniają się głównie w postaci ciekłej frakcji niemieszającej się z wodą (ang. non-Aqueous Phase Liquid – NAPL), frakcji ciekłej rozpuszczonej w wodzie oraz w formie lotnej w postaci par.

Są to związki słabo rozpuszczalne w wodzie, a zgromadzone w porach gruntu stanowią często zanieczyszczenie długoterminowe. Benzyny (suma węglowodorów C6-C12, składników fakcji benzyn) i oleje (suma węglowodorów C12-C35, składników frakcji oleju) to głównie węglowodory alifatyczne o długich nierozgałęzionych łańcuchach węglowych pochodzenia naftowego. Natomiast WWA (wielopierścieniowej węglowodory aromatyczne) to węglowodory zawierające minimum dwa pierścienie aromatyczne (głównie benzenowe), wykazujące silne właściwości mutagenne oraz kancerogenne. Część produktów ropopochodnych jest szczególnie niebezpieczna (w tym benzo(a)piren), wykazując stosunkowo niską toksyczność ostrą, ale bardzo wysoką toksyczność przewlekłą.

Węglowodory pochodzenia naftowego oraz WWA w środowisku mogą podlegać wielu przemianom: chemicznemu utlenianiu, fotolizie, hydrolizie, ulatnianiu, bioakumulacji, adsorpcji do cząstek gruntu oraz biodegradacji. Biodegradacja, przebiegająca z udziałem mikroorganizmów, stanowi podstawowy mechanizm odpowiedzialny za zmniejszenie stężenia substancji ropopochodnych, zarówno w środowiskach wodnych, jak i glebowych. Proces biodegradacji jest wykorzystywany w remediacji terenów zanieczyszczonych w procesie bioremediacji.

Bioremediacja związków ropopochodnych

Bioremediację definiuje się jako technologię oczyszczania środowiska polegającą na usuwaniu ze środowiska zanieczyszczeń różnego typu za pomocą mikroorganizmów i ich enzymów w oparciu o zdolności mikroorganizmów do biodegradacji określonych związków organicznych. Bioremediacja obejmuje bioremediację naturalną, biostymulację gleby zanieczyszczonej (stymulacja biodegradacji z udziałem autochtonicznych mikroorganizmów glebowych poprzez dodanie składników biogenne, głównie azotu i fosforu i/lub napowietrzanie gruntu) i/lub bioaugumentację.

Do biodegradacji węglowodorów jest zdolnych wiele mikroorganizmów, jednak tylko niewiele z nich jest zdolnych do wykorzystania tych związków jako jedynego źródło węgla i energii. Należą do nich bakterie tlenowe (z rodzaju Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Sphingomonas, Aeromonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Arthobacter, Brevibacterium, Xanthomonas, Mycobacterium), bakterie beztlenowe czy grzyby ligninolityczne (np. z rodzaju Trametes).

Biodegradacja naturalna polega wyłącznie na regularnym monitorowaniu poziomu zanieczyszczeń bez ingerencji człowieka. Wiąże się z wykorzystaniem autochtonicznych mikroorganizmów i zachodzi samoczynnie. Wykorzystuje się w niej naturalnie przebiegające reakcje fizyczno-chemiczne, obieg pierwiastków w środowisku, jak również specyficzną aktywność enzymatyczną mikroorganizmów autochtonicznych.

Bioaugumentacja polega na zwiększeniu puli mikroorganizmów poprzez wprowadzanie do zanieczyszczonego gruntu pojedynczych szczepów lub konsorcjów mikrobiologicznych, które są wyspecjalizowane w usuwaniu zanieczyszczeń, czyli tzw. biopreparatów. Biopreparaty (preparaty mikrobiologiczne) to mikroorganizmy (najczęściej wyizolowane z zanieczyszczonego środowiska i opracowane warunkach laboratoryjnych pod okiem mikrobiologia lub biotechnologa) wprowadzone ponownie do zanieczyszczonego gruntu lub wody w formie immobilizowanej, liofilizowanej lub w formie zawiesiny, których aktywność degradacyjną reguluje się odpowiednim napowietrzaniem i biostymulacją.

Jak przebiega biodegradacja węglowodorów?

Biodegradacja węglowodorów, w tym WWA z udziałem mikroorganizmów, może przebiegać w warunkach tlenowych lub beztlenowych. Proces beztlenowy przebiega jednak znacznie wolniej, a szlaki biodegradacji w warunkach tlenowych nie są tak dokładnie poznane, jak w przypadku szlaków biodegradacji w warunkach tlenowych.

O szybkości przebiegu procesu biodegradacji zanieczyszczeń naftowych decydują takie parametry, jak liczba i aktywność degradacyjna mikroorganizmów, struktura chemiczna węglowodorów i ich toksyczność w stosunku do mikroorganizmów, obecność odpowiedniego akceptora elektronów, sprzyjające warunki środowiskowe, takie jak temperatura, światło, pH, zawartość tlenu, wilgotność, potencjał redoks, zawartość związków biogennych (tj. azotu i fosforu i ich stosunek do węgla pierwiastkowego wchodzącego w skład węglowodorów lub innych związków organicznych obecnych w glebie), zawartość węglowodorów (za niskie i zbyt wysokie stężenie substratu może ograniczać biodegradację), obecność innych źródeł węgla niż węglowodory, obecność innych związków toksycznych i inhibitujących proces (np. metali ciężkich).

Tempo biodegradacji węglowodorów zależy również od biodostępności tych związków dla metabolizujących ich mikroorganizmów, co jest związane z wieloma procesami: desorpcją, dyfuzją i rozpuszczaniem. Wiele zanieczyszczeń w glebie, a szczególnie węglowodory charakteryzują się niską rozpuszczalnością w wodzie (ze względu na swój hydrofobowy charakter) oraz łatwością adsorbowania się na częściach stałych gleby. Zwiększenie biodostępności można uzyskać stosując emulgator (substancję powierzchniowo czynna, np. biosurfaktant), co zwiększa efektywność biodegradacji poprzez umożliwienie łatwiejszego i szybszego transportu węglowodorów do komórek bakteryjnych. Polepszenie warunków tlenowych w gruncie można z kolei osiągnąć stosując napowietrzanie gruntu (wentylację gruntu, biowenting). 

Bioremediację węglowodorów ropopochodnych i WWA należy prowadzić pod kontrolą specjalisty ds. remediacji w sposób kontrolowany tak, aby zwiększać liczebność bakterii glebowych do nie mniej niż 10⁶–10⁹ komórek bakteryjnych na gram zanieczyszczonej gleby (cfu/g), kilkukrotnie aplikować biopreparat do zanieczyszczonego gruntu oraz wykonywać biostymulację z dodatkiem substancji biogennych, biosurfaktantów lub unieruchamianie mikroorganizmów na powierzchni nośnika.  Przed rozpoczęciem bioremediacji warto również wykonać badań pilotażowe w celu dobrania odpowiedniego biopreparatu (lub opracowania biopreparatu dedykowanego – z mikrobiomu autochtonicznego), zwiększenia efektywności działań, skrócenia czasu bioremediacji lub obniżenia jej kosztów.