Биоремедиация разливов нефти

Биоремедиация загрязненных нефтью сред — это процесс, в котором биологические пути внутри микроорганизмов или растений используются для разложения или секвестрации токсичных углеводородов , тяжелых металлов и других летучих органических соединений, содержащихся в ископаемом топливе . Разливы нефти часто происходят в разной степени вместе со всеми аспектами цепочки поставок нефти, представляя сложный комплекс проблем как для окружающей среды, так и для общественного здравоохранения. [1] В то время как традиционные методы очистки, такие как химическая или ручная локализация и удаление, часто приводят к быстрым результатам, биоремедиация менее трудоемка, дорога и предотвращает химические или механические повреждения. [2] [3] Эффективность и результативность усилий по биоремедиации основаны на поддержании идеальных условий, таких как pH , RED-OX-потенциал , температура , влажность , обилие кислорода, доступность питательных веществ, состав почвы и структура загрязняющих веществ, для желаемого организма или биологического пути для облегчения реакций. [4] Три основных типа биоремедиации , используемых для разливов нефти, включают микробную ремедиацию, фиторемедиацию и микоремедиацию . Биоремедиация применялась при различных крупных разливах нефти , включая инцидент с танкером Exxon Valdez в 1989 году , когда внесение удобрений на пострадавшую береговую линию увеличило скорость биодеградации . [5]

Разливы нефти

Загрязнение нефтью как наземной, так и морской среды является результатом разведки , добычи , переработки , транспортировки и хранения нефти. Разливы нефти стали глобальной проблемой с момента возникновения нефтяной промышленности в начале 1900-х годов. Риск непреднамеренных и преднамеренных разливов увеличился по мере расширения энергетической промышленности и мирового спроса. [6] Нефть представляет собой токсичную смесь органических соединений , следовых количеств тяжелых металлов и углеводородов, включая множество стойких летучих органических соединений ( ЛОС ) и полициклических ароматических углеводородов ( ПАУ ). [7]   Сбрасываемая в морскую среду нефть особенно вредна из-за быстрого рассеивания и создания вторичных загрязнителей посредством фотолиза . [8] Бионакопление нефти в наземных и морских пищевых цепях вызывает как острые, так и долгосрочные последствия для здоровья. Воздействие нефти наносит ущерб критически важным функциям организмов, включая воспроизводство , регуляцию физиологических и химических процессов и функцию органов. [9] Крупные разливы изменяют динамику экосистемы , что приводит к цветению водорослей и массовой гибели морской жизни. [10] По оценкам, более 1000 морских выдр , а также множество птиц погибли в результате разлива Exxon Valdez . [11] При ликвидации последствий разливов нефти обычно одновременно используются несколько методов. Контролируемое сжигание и барьеры использовались в качестве ручных мер по рекультивации после инцидента с Exxon Valdez. [12] Химические растворители и диспергаторы недолго использовались компанией Exxon в воде, окружающей Valdez, хотя их использование было прекращено, поскольку они требовали особых условий и содержали канцерогенные соединения. [12] Методы биоремедиации, использованные при разливе Exxon Valdez, включали посев азота и фосфора вдоль береговой линии, увеличивая количество доступных питательных веществ для местных микроорганизмов, разлагающих нефть, что удваивало скорость разложения. [13] При всех методах рекультивации было собрано менее десяти процентов нефти, вылившейся из танкера Exxon Valdez. [12] Многие роды растений, микробов и грибов продемонстрировали свойства по очистке от нефти, включая Spartina , Haloscarcia , Rhizophora ,Nocardioides , Dietzia и Microbacterium . [14] [15] [16] [17]

Биоремедиация

Биоремедиация относится к использованию определенных микроорганизмов или растений для метаболизма и удаления вредных веществ. Эти организмы известны своим биохимическим и физическим сродством к углеводородам среди других загрязняющих веществ . Различные типы бактерий , архей , водорослей , грибов и некоторые виды растений способны расщеплять определенные токсичные отходы на более безопасные компоненты. Биоремедиация классифицируется по организму, ответственному за рекультивацию, на три основных подразделения: микробная рекультивация, фиторемедиация и микоремедиация . [18] В большинстве случаев биоремедиация работает либо над увеличением количества встречающихся в природе микроорганизмов, либо над добавлением в область микробов, специфичных для загрязняющих веществ. Биоремедиация может также включать использование многих разновидностей микроорганизмов , либо синергически, либо независимо друг от друга. Затраты и воздействие на окружающую среду биоремедиации часто незначительны по сравнению с традиционными ручными или химическими усилиями по рекультивации. [ необходима цитата ]

Биоремедиация нефти

Благодаря своей повсеместной распространенности в окружающей среде многие организмы эволюционировали, чтобы использовать углеводороды и органические соединения в нефти в качестве энергии, одновременно денатурируя токсины посредством механизмов молекулярного переноса. [19]

Микробная биоремедиация использует аэробные и анаэробные свойства различных микробов для дыхания и ферментации соединений, преобразующих токсины в безвредные соединения. [19] Эти полученные соединения демонстрируют более нейтральные уровни pH , повышенную растворимость в воде и менее реактивны на молекулярном уровне. Базовые популяции микроорганизмов , разлагающих нефть, обычно составляют менее 1% микробиомов , связанных с морскими экосистемами . Методы ремедиации, которые устраняют факторы, ограничивающие реакцию, путем добавления субстрата, могут увеличить популяцию микробов до 10% микробиома экосистем . [20] В зависимости от физических и химических свойств, микроорганизмам, разлагающим нефть, требуется больше времени для разложения соединений с высокой молекулярной массой , таких как полициклические ароматические углеводороды ( ПАУ ). Этим микробам требуется широкий спектр ферментов для расщепления нефти и очень специфические питательные составы для эффективной работы. [21]

Микробы действуют поэтапно, разрушая и метаболизируя компоненты нефти. [21]

  1. Линейные алканы
  2. Разветвленные алканы
  3. Малые ароматические соединения
  4. Циклические алканы

Обработки, использующие эти процессы распада, чаще всего используют тепло и химикаты для повышения эффективности. [22] Позднее для конкретных экосистем используются более биологические системы, которые используют конкретные механизмы. [22]

Фиторемедиация — это процесс, в котором растения используются для секвестрации токсинов и углеводородов в растительной ткани из загрязненных почв . Основные механизмы фиторемедиации вытекают из сложных взаимоотношений между корнями и ризобиями . Растения выделяют сахара, ферменты и кислород из корней, которые обеспечивают необходимые субстраты для ризобий и связанных с ними ризосферных микробов для стимуляции деградации органических загрязнителей. [23] Исследования продемонстрировали способность различных растений с ассоциациями ризобий к биоаккумуляции , в частности Chromolaena odorata, смогла удалить 80% нефтяных и тяжелых металлических токсинов из почв. [24] Хотя чаще всего она используется в наземных средах , загрязненные морские среды также выигрывают от биоремедиации на основе растений с использованием различных водорослей и макрофитов . [ требуется ссылка ] Фиторемедиация наиболее эффективна при использовании в сочетании с микробной ремедиацией и микоремедиацией . [25] [26]

Методы микоремедиации используют грибы, устойчивые к загрязняющим веществам , которые изолируют или денатурируют токсины окружающей среды, особенно тяжелые металлы. Токсины изолируются в высокоабсорбирующие молекулы, такие как хитин и глюкан , которые находятся в клеточных стенках грибов . [18] Saccharomyces cerevisiae ( пекарские дрожжи ) можно использовать для рекультивации морских экосистем, загрязненных тяжелыми металлами, с 80% до 90% успеха в случае мышьяка . [27] Концентрации полициклических ароматических углеводородов ( ПАУ ) в образцах почвы, взятых из загрязненных нефтяных шламов в Нигерии, были снижены на 7% до 19% с использованием грибов белой гнили в экспериментальных условиях. [28] Почва, загрязненная сырой нефтью, показывает токсичные уровни различных тяжелых металлов, таких как свинец , цинк и магний . Применение методов микоремедиации к загрязненным сырой нефтью почвам показало значительное снижение концентраций тяжелых металлов. [29]

Механизмы, участвующие в биоремедиации токсичных соединений.

Параметры биоремедиации

Эффективность и действенность каждого метода рекультивации имеют ограничения. Цель рекультивации — как можно быстрее устранить загрязняющее вещество окружающей среды; только неэффективные процессы требуют вмешательства человека. [30] Факторы окружающей среды, такие как требования реакции, подвижность веществ и физиологические потребности организмов, будут влиять на скорость и степень разложения загрязняющих веществ. [31] Со временем многие из этих требований преодолеваются. Именно тогда бактерии, разлагающие нефть, и археи способны наиболее эффективно бороться с разливами нефти. Выветривание и факторы окружающей среды играют большую роль в успехе биоремедиации. Взаимодействие почвы и загрязняющих химических веществ действительно объясняет работу, которую могут выполнить эти микроорганизмы. Эти процессы изменяют состав и слоистость почвы, а также биохимию экосистемы. Эти химические и биологические изменения требуют адаптации почвенных микробов к биоремедиации. [30] Также важно учитывать восприимчивость загрязняющего вещества. Такие свойства, как растворимость, температура и pH, будут влиять на биоремедиацию и процесс. [32] Загрязнители, которые более растворимы, будут легче трансформироваться микробами в окружающую среду. В противном случае, загрязнители с жесткой молекулярной структурой удлиняют биоремедиацию, поскольку их сложнее преобразовать в безвредные вещества. Биодоступность, количество загрязняющего вещества, доступное для поглощения, и биодоступность загрязняющего вещества также будут влиять на эффективность. [32] Во многих случаях необходимые питательные вещества собираются и выделяются для микроорганизмов, разлагающих нефть, чтобы максимизировать эффективность процесса. [30] Обеспечение микроорганизмов необходимыми им питательными веществами и условиями позволяет им процветать.

Факторы, влияющие на биоремедиацию

[30]

Механизмы биоремедиации

Микроорганизмы используют множество уникальных механизмов для преобразования молекул и переноса электронов. [31]
Метод биоремедиацииКонверсияПродукция
Аэробное дыханиеНефтяной субстрат с молекулярным кислородомАзотный газ, сероводород,

Метан, металлы, углекислый газ, вода

Неорганическое донорство электроновОкисляются аммоний, нитриты, железо, марганец.Нитрат, Нитрит, Железо, Марганец, Сульфат
ФерментацияТоксичные нефтяные соединения органической природыБезвредные соединения, продукты ферментации
ДемобилизацияЖелезо, сульфат, ртуть, хром, уранГидроксид железа, сульфид, пирит, восстановленный хром,

Уранинит

Восстановительное дегалогенированиеГалогенное соединение с донором электроновУменьшение количества загрязняющих веществ

Перечисленные выше химикаты и продукты, образующиеся при разложении нефти, показаны. Эти микробы будут восстанавливать, окислять , ферментировать и демобилизовать компоненты нефтяных разливов с течением времени и создавать безвредные соединения. Методы биоремедиации [33] включают использование этих механизмов для снижения количества загрязняющих веществ и зависят от аспектов загрязняющих веществ:

Биоремедиация ex situ

Ремедиация ex situ подразумевает реакции, проводимые за пределами естественной среды обитания этих организмов.

  • Повышение микробной активности за счет аэрации , орошения и создания биоотстойников.
  • Усиление деградационной активности за счет переворачивания загрязненных почв и добавления минералов и воды.
  • Использование биореакторов для усиления и ускорения биологических реакций микроорганизмов с целью сокращения времени биоремедиации.
  • Методы ведения сельского хозяйства, требующие внесения питательных веществ в почву для стимуляции микробных механизмов

Биоремедиация на месте

Рекультивация in situ подразумевает реакции, проводимые внутри реакционной смеси.

  • Биовентиляция , использующая влагу и питательные вещества для улучшения преобразования загрязняющих веществ в более безопасные вещества.
  • Био-отсасывание , использование насосов для подачи кислорода и воды, тем самым разделяя и компонуя почвы для повышения уровня очистки от микробов.
  • Биобарботирование , при котором воздух нагнетается в почву для стимуляции микробной биоремедиации.
  • Фиторемедиация , использует механизмы растений для снижения эффективности загрязняющих веществ.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Макгилл, У. Б. (1977-04-01). «Восстановление почвы после разливов нефти — обзор». Журнал канадских нефтяных технологий . 16 (2): 07. Bibcode : 1977BCaPG..16.0207M. doi : 10.2118/77-02-07. ISSN  0021-9487.
  2. ^ Walls, WD (май 2010). «Нефтеперерабатывающая промышленность Китая». Энергетическая политика . 38 (5): 2110–2115. doi :10.1016/j.enpol.2009.06.002. ISSN  0301-4215.
  3. ^ ЯН, Си-Чжун; ДЗИН, Хуэй-Цзюнь; ВЭЙ, Чжи; ОН, Жуй-Ся; Цзи, Ян-Цзюнь; ЛИ, Сю-Мэй; Ю, Шао-Пэн (июнь 2009 г.). «Биоремедиация разливов нефти в холодных условиях: обзор». Педосфера . 19 (3): 371–381. дои : 10.1016/s1002-0160(09)60128-4. ISSN  1002-0160.
  4. ^ (Совет, Национальный исследовательский центр (1969-12-31). Биоремедиация in situ: когда она работает?. doi :10.17226/2131. ISBN 9780309048965 . 
  5. ^ Атлас, Рональд М.; Хазен, Терри К. (15 августа 2011 г.). «Биодеградация и биоремедиация нефти: история двух самых страшных разливов в истории США». Environmental Science & Technology . 45 (16): 6709–6715. Bibcode : 2011EnST...45.6709A. doi : 10.1021/es2013227. ISSN  0013-936X. PMC 3155281. PMID 21699212  . 
  6. ^ Сабир, Сайед (2015-09-02). «Подход к экономически эффективным адсорбентам для удаления нефти из нефтесодержащей воды». Критические обзоры в области экологической науки и технологий . 45 (17): 1916–1945. Bibcode :2015CREST..45.1916S. doi :10.1080/10643389.2014.1001143. ISSN  1064-3389. S2CID  93238171.
  7. ^ Хупер, Крейг Х. (1982). Разлив нефти IXTOC I: федеральный научный ответ /. Боулдер, Колорадо: Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Управление по оценке загрязнения морской среды. doi :10.5962/bhl.title.62199.
  8. ^ Кингстон, Пол Ф. (июнь 2002 г.). «Долгосрочное воздействие разливов нефти на окружающую среду». Spill Science & Technology Bulletin . 7 (1–2): 53–61. doi :10.1016/s1353-2561(02)00051-8. ISSN  1353-2561.
  9. ^ Табари, Хашаяр; Табари, Махса (ноябрь 2010 г.). «Биодеградация тяжелой сырой нефти: эффекты и некоторые инновационные очистные биотехнологии». Журнал биотехнологии . 150 : 285. doi : 10.1016/j.jbiotec.2010.09.220. ISSN  0168-1656.
  10. ^ Jernelöv, Arne (июль 2010 г.). «Угрозы разливов нефти: сейчас, тогда и в будущем». Ambio . 39 (5–6): 353–366. Bibcode :2010Ambio..39..353J. doi :10.1007/s13280-010-0085-5. ISSN  0044-7447. PMC 3357709 . PMID  21053719. 
  11. ^ Jernelöv, Arne (июль 2010 г.). «Угрозы разливов нефти: сейчас, тогда и в будущем». Ambio . 39 (5–6): 353–366. Bibcode :2010Ambio..39..353J. doi :10.1007/s13280-010-0085-5. ISSN  0044-7447. PMC 3357709 . PMID  21053719. 
  12. ^ abc . 2010-07-08 https://web.archive.org/web/20100708011214/http://response.restoration.noaa.gov/book_shelf/26_spilldb.pdf. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-07-08 . Получено 2020-06-05 . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
  13. ^ Притчард, П. Хап (сентябрь 1991 г.). «Биоремедиация как технология: опыт с разливом нефти Exxon Valdez». Журнал опасных материалов . 28 (1–2): 115–130. doi :10.1016/0304-3894(91)87011-p. ISSN  0304-3894.
  14. ^ Али, Недаа; Дашти, Нарджес; Ханафер, Маджида; Аль-Авади, Хусейн; Радван, Самир (24 января 2020 г.). «Биоремедиация почв, насыщенных разлитой нефтью». Научные отчеты . 10 (1): 1116. Бибкод : 2020НатСР..10.1116А. дои : 10.1038/s41598-019-57224-x. ISSN  2045-2322. ПМЦ 6981149 . ПМИД  31980664. 
  15. ^ Ли, Кеннет; Леви, Эрик М. (март 1991 г.). «Биоремедиация: парафинистые сырые масла, выброшенные на берега с низким энергопотреблением». Труды Международной конференции по разливам нефти . 1991 (1): 541–547. doi : 10.7901/2169-3358-1991-1-541 . ISSN  2169-3366.
  16. ^ Бернс, КА; Коди, С; Дьюк, NC (январь 2000 г.). «Полевые исследования в Гладстоне, Австралия: выветривание и деградация углеводородов в загрязненных нефтью мангровых зарослях и солончаковых отложениях с применением и без применения экспериментального протокола биоремедиации». Бюллетень загрязнения морской среды . 41 (7–12): 392–402. Bibcode : 2000MarPB..41..392B. doi : 10.1016/s0025-326x(00)00094-1. ISSN  0025-326X.
  17. ^ Дьюк, Норман С.; Бернс, Кэтрин А.; Сваннелл, Ричард П. Дж.; Далхаус, Отто; Рапп, Роланд Дж. (январь 2000 г.). «Использование диспергаторов и стратегия биоремедиации как альтернативные средства снижения воздействия крупных разливов нефти на мангровые заросли: полевые испытания в Гладстоуне». Бюллетень по загрязнению морской среды . 41 (7–12): 403–412. Bibcode : 2000MarPB..41..403D. doi : 10.1016/s0025-326x(00)00133-8. ISSN  0025-326X.
  18. ^ ab Шукла, Ануракти; Шривастава, Судхакар (2017), «Новые аспекты биоремедиации мышьяка», Зеленые технологии и экологическая устойчивость , Springer International Publishing, стр. 395–407, doi :10.1007/978-3-319-50654-8_17, ISBN 978-3-319-50653-1
  19. ^ ab Биоремедиация на месте: когда она работает?. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. 1993-01-01. doi :10.17226/2131. ISBN 978-0-309-04896-5. S2CID  106682180.
  20. ^ Brooijmans, Rob JW; Pastink, Margreet I.; Siezen, Roland J. (2009-11-01). «Бактерии, разлагающие углеводороды: команда по очистке нефтяных разливов». Microbial Biotechnology. 2 (6): 587–594. doi :10.1111/j.1751-7915.2009.00151.x. ISSN 1751-7915. PMC 3815313. PMID 21255292.
  21. ^ ab Das, Nilandjana; Chandran, Preethy (2010-09-13). "Микробная деградация нефтяных углеводородных загрязнителей: обзор". Biotechnology Research International. 2011: 941810. doi :10.4061/2011/941810. ISSN 2090-3138. PMC 3042690. PMID 21350672.
  22. ^ ab Al Disi, Zulfa; Jaoua, Samir; Al-Thani, Dhabia; Al-Meer, Saeed; Zouari, Nabil (2017-01-24). «Учет специфического воздействия суровых условий и выветривания нефти на разнообразие, адаптацию и активность бактерий, разлагающих углеводороды, в стратегиях биоремедиации суровых загрязненных нефтью почв». BioMed Research International. 2017: 8649350. doi : 10.1155/2017/8649350. ISSN 2314-6133. PMC 5294359. PMID 28243605
  23. ^ Герхардт, Карен Э.; Хуан, Сяо-Донг; Глик, Бернард Р.; Гринберг, Брюс М. (январь 2009 г.). «Фиторемедиация и ризоремедиация органических загрязнителей почвы: потенциал и проблемы». Plant Science . 176 (1): 20–30. doi :10.1016/j.plantsci.2008.09.014. ISSN  0168-9452.
  24. ^ Атагана, Харрисон Ифеаничукву (2010-06-05). «Биоремедиация совместного загрязнения сырой нефтью и тяжелыми металлами в почве путем фиторемедиации с использованием Chromolaena odorata (L) King & HE Robinson». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 215 (1–4): 261–271. doi :10.1007/s11270-010-0476-z. ISSN  0049-6979. S2CID  97503907.
  25. ^ Vouillamoz, J.; Milke, MW (2001-01-01). «Влияние компоста на фиторемедиацию почв, загрязненных дизельным топливом». Water Science and Technology . 43 (2): 291–295. doi :10.2166/wst.2001.0102. ISSN  0273-1223. PMID  11380193.
  26. ^ Аларкон, Алехандро; Дэвис, Фред Т.; Аутенриет, Робин Л.; Зуберер, Дэвид А. (2008-07-08). «Арбускулярная микориза и микроорганизмы, разлагающие нефть, усиливают фиторемедиацию загрязненной нефтью почвы». Международный журнал фиторемедиации . 10 (4): 251–263. Bibcode : 2008IJPhy..10..251A. doi : 10.1080/15226510802096002. ISSN  1522-6514. PMID  19260211. S2CID  17893898.
  27. ^ Сингх, Аша Лата; Сарма, ПН (2010-05-13). «Удаление мышьяка(III) из сточных вод с использованием Lactobacillus acidophilus». Журнал биоремедиации . 14 (2): 92–97. Bibcode : 2010BiorJ..14...92S. doi : 10.1080/10889861003767050. ISSN  1088-9868. S2CID  95251365.
  28. ^ Araka, Perez P.; Okparanma, Reuben N.; Ayotamuno, Josiah M. (октябрь 2019 г.). «Диагностический скрининг уровня органических загрязнителей в затвердевших/стабилизированных предварительно обработанных буровых шламах на масляной основе». Heliyon . 5 (10): e02644. Bibcode :2019Heliy...502644A. doi : 10.1016/j.heliyon.2019.e02644 . ISSN  2405-8440. PMC 6806413 . PMID  31692587. 
  29. ^ Мадуекве, К.; Нвачукву, Э.О.; Джоэл, О.Ф. (2016). «Сравнительное исследование методов Rena и Mycoremediation для снижения содержания тяжелых металлов в почве, загрязненной сырой нефтью». Все дни . Общество инженеров-нефтяников. doi : 10.2118/184348-ms. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  30. ^ abcd Al Disi, Zulfa; Jaoua, Samir; Al-Thani, Dhabia; Al-Meer, Saeed; Zouari, Nabil (2017-01-24). «Учет специфического воздействия суровых условий и выветривания нефти на разнообразие, адаптацию и активность бактерий, разлагающих углеводороды, в стратегиях биоремедиации суровых загрязненных нефтью почв». BioMed Research International . 2017 : 8649350. doi : 10.1155/2017/8649350 . ISSN  2314-6133. PMC 5294359. PMID 28243605  . 
  31. ^ ab Council, National Research (1969-12-31). Биоремедиация на месте: когда она работает? . doi :10.17226/2131. ISBN 9780309048965. S2CID  106682180.
  32. ^ ab Gkorezis, Panagiotis; Daghio, Matteo; Franzetti, Andrea; Hamme, Van; D, Jonathan; Sillen, Wouter; Vangronsveld, Jaco (2016-01-01). "Взаимодействие между растениями и бактериями при рекультивации нефтяных углеводородов: экологическая перспектива". Frontiers in Microbiology . 7 : 1836. doi : 10.3389/fmicb.2016.01836 . ISSN  1664-302X. PMC 5116465. PMID 27917161  . 
  33. ^ Azubuike, Christopher Chibueze; Chikere, Chioma Blaise; Okpokwasili, Gideon Chijioke (2016-11-01). «Методы биоремедиации — классификация на основе места применения: принципы, преимущества, ограничения и перспективы». World Journal of Microbiology and Biotechnology . 32 (11): 180. doi :10.1007/s11274-016-2137-x. ISSN  0959-3993. PMC 5026719 . PMID  27638318. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Биологическая_ликвидация_нефтяных_разливов&oldid=1251434673"