Oil spills bioremediation in marine environment
Authors: Νικολοπούλου Μαρία 
Published: August 2021

Οι θαλάσσιες πετρελαιοκηλίδες αποτελούν απειλή και επιτάσσουν την ανάγκη να βρεθούν και να εξεταστούν νέοι αποτελεσματικότεροι, πιο φιλικοί περιβαλλοντικά και πιο οικονομικοί τρόποι –μέθοδοι αποκατάστασης και αντιμετώπισης ενός θαλάσσιου περιβάλλοντος ρυπασμένου με πετρελαιοειδή όπως είναι η βιοεξυγίανση μέσω της βιοενίσχυσης (προσθήκη βακτηρίων που αποδομούν το πετρέλαιο) και της βιοδιέγερσης (προσθήκη θρεπτικών N&P ή άλλων περιοριστικών παραγόντων). Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να μελετηθούν πιθανές μέθοδοι που θα ενίσχυαν τον ρυθμό βιοαποδόμησης του πετρελαίου στο ρυπασμένο θαλάσσιο περιβάλλον (ανοιχτής θαλάσσης και παράκτιο) μειώνοντας έτσι τον χρόνο που απαιτείται για να αποκατασταθεί. Ως εκ τουτου εξετάστηκε η ικανότητα δυο κονσόρτσια ειτε με εγκλιματισμένους (σε συνθήκες ρυπασμένης θαλάσσης με πετρέλαιο) αυτόχθονες θαλάσσιους μικροοργανισμούς ειτε με απομονωμένους μικροοργανισμούς (ΕΛΠΕ, Αθήνα) που αποδομούν πετρελαϊκούς υδρογονάνθρακες (αυτόχθονη βιοενίσχυση - ABA) ως επιτυχής στρατηγική στην εξυγίανση ρυπασμένου θαλάσσιου περιβάλλοντος παρουσία ή μη άλλων περιοριστικών παραγόντων όπως θρεπτικά οι βιογενείς επιφανειοδραστικές ενώσεις- biosurfactants (βιοδιέγερση). Οι αποδομητές πετρελαίου προήλθαν από διαδοχικούς εμπλουτισμούς και απομονώσεις θαλάσσιων δειγμάτων νερού που συλλέχθηκαν από την περιοχή του κόλπου της Ελευσίνας κοντά στα διυλιστήρια των Ελληνικών Πετρελαίων (ΕΛΠΕ), μια περιοχή που εκτίθεται σε χρόνια ρύπανση από πετρελαιοειδή. Επιπλέον η ικανότητα των κονσόρτσια με τους ηδη προσαρμοσμένους αποδομητές πετρελαίου (ABA) αντιπαρατεθηκε με την ικανότητα των αυτόχθονων μικροοργανισμών (βιοδιέγερση) να αποδομήσουν τους πετρελαικούς υδρογονάνθρακες. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση λιπόφιλων οργανικών θρεπτικών (ουρικό οξύ- uric acid, λεκιθίνη-lecithin) και ανόργανων θρεπτικών (KNO3 και K2HPO4,-NPK treatment) παρουσία ή μη βιογενών επιφανειοδραστικών ενώσεων- biosurfactants στην βιοαποδόμηση πετρελαικών υδρογονανθράκων τοσο σε περιβάλλον ανοιχτής θαλάσσης όσο και σε παράκτιο. Ενώ λοιπόν η βιοξυγίανση των πετρελαιοκηλίδων στο θαλασσινό νερό (υγρή μήτρα) αντιμετωπίζεται με άμεσο τρόπο, στο παράκτιο περιβάλλον (στερεή μήτρα) προσεγγίζεται μέσω της τεχνικής αποκατάστασης ρυπασμένων εδαφών γνωστή ως «τεχνική επεξεργασίας στερεάς φάσης»-landfarming, η οποία είναι παράλληλα απλή και χαμηλού κόστους συγκρινόμενη με άλλες τεχνικές αποκατάστασης ρυπασμένων εδαφών.Ετσι προέκυψαν 4 σειρές πειραμάτων και περιλαμβάνουν:1.Αυτόχθονη βιοενίσχυση και/ή βιοδιέγερση σε θαλάσσιο μικρόκοσμο (π.χ. Seawater 1)2.Αυτόχθονη βιοενίσχυση & βιοδιέγερση με κονσόρτσια απομονωμένων μικροοργανισμών που αποδομούν τους πετρελαικούς υδρογονάνθρακες σε θαλάσσιο μικρόκοσμο (π.χ. Seawater 2)3.Βιοδιέγερση σε ρυπασμένη με πετρέλαιο άμμο μέσω της τεχνικής landfarming (π.χ. Sand 1)4.Αυτόχθονη βιοενίσχυση & βιοδιέγερση σε ρυπασμένη με πετρέλαιο άμμο μέσω της τεχνικής landfarming (π.χ. Sand 2)Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση των παραγόντων βιοεξυγίανσης βασίζεται στο τροποποιημένο πρωτόκολλο δοκιμής της αποτελεσματικότητας των παραγόντων βιοεξυγίανσης της EPA (40 CFR Ch. I, Pt 300, App. C, 2003). Το πρωτόκολλο εξετάζει τη μικροβιακή δραστηριότητα με την Ανάλυση του πιο Πιθανού Αριθμού (Most Propable Number) και ποσοτικοποιεί την απομάκρυνση των κορεσμένων υδρογονανθράκων και των πολυαρωματικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAHs) με τη χρήση GC-MS. Επιπρόσθετα ο βαθμός απομάκρυνσης (ρυθμός αποδόμησης) επιλεγμένων συστατικών και από τα δυο κλάσματα των κορεσμένων (ν-αλκάνια) και των αρωματικών (PAHs) εξετάστηκε μέσω βιοχημικής κινητικής ανάλυσης λαμβάνοντας υπόψη τις αρχές που διέπουν βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου (Batch reactor). Ενώ η ταυτοποίηση των μικροοργανισμών που αποδομούν τους πετρελαϊκούς υδρογονάνθρακες, καθώς και η απόκριση και αλλαγή της δομής των κονσόρτσια που χρησιμοποιήθηκαν μεταξύ των διαφορετικών πειραμάτων αλλά και επεξεργασιών επιτεύχθηκε με μοριακή ανάλυση (PCR, RT-PCR, pyrotag Sequencing) δειγμάτων γενετικού υλικού που ελήφθησαν από κάθε επεξεργασία. Επιπλέον εξετάστηκε η αλληλεπίδραση των μικροοργανισμών με το πετρέλαιο σε μια ακόμη σειρά πειραμάτων με τη χρήση μικροσκοπίας ομοεστιακής δέσμης λέιζερ (confocal microscopy- CLSM). Επιπρόσθετα εξετάστηκε η απόκριση τους μετά την προσθήκη των εμπορικών διασκορπιστικών ενώσεων (Corexit, S200 και Marichem) αλλά και της βιογενούς επιφανειοδραστικής ένωσης-biosurfactant (ραμνολιπίδια-rhamnolipids).Η συνδυασμένη εφαρμογή ραμνολιπιδίων και λιπόφιλων θρεπτικών είναι αρκετά επωφελής σε υγρή μήτρα (θαλασσινό νερό) παρά σε στερεή μήτρα (άμμος). Εν αντιθέσει τα ανόργανα θρεπτικά παρότι εκπλένονται γρήγορα στο θαλασσινό νερό αποδίδουν πολύ καλύτερα όταν εφαρμοστούν σε αμμώδη ακτή, εξίσου αποδοτικά με το ULR (ραμνολιπίδια - λιπόφιλα θρεπτικά) συνδυασμό. Πάραυτα η συνολική εικόνα της επεξεργασίας ULR δείχνει ότι η παρουσία βιογενών επιφανειοδραστικών ενώσεων συνεισέφερε στην χρησιμοποίηση των λιπόφιλων θρεπτικών αυξάνοντας τη βιοδιαθεσιμότητα τους προς τους μικροργανισμούς που βρίσκονται στην άμμο.Η παρατήρηση με μικροσκόπιο CLSM απεκάλυψε ότι οι μικροοργανισμοί οργανώνονται σε συμπλέγματα μεταξύ τους και με τα διασκορπισμένα σταγονίδια πετρελαίου σχηματίζοντας πολύπλοκες δομές τύπου σταφυλιού και αστερία (grape style shapes- star-like patterns) οι οποίες ενώνονται μεταξύ τους με γέφυρες από βακτήρια και πιθανώς με βιοπολυμερή όπως είναι οι εξωκυτταρικοί πολυσακχαρίτες (EPS). Η νέα αυτή οργάνωση και δομή που παρατηρείται μεταξύ των μεικτών κονσόρτσια και του πετρελαίου δημιούργησε μια νέα προοπτική-μηχανισμό με τον οποίο τα μικτά κονσόρτσια χρησιμοποιούν τους υδρογονάνθρακες πετρελαίου και θα μπορούσε να προσφέρει μια νέα διάσταση για τη μελέτη των μικροβιακών κοινοτήτων που οργανώνονται σε συσσωματώματα και βιοστιβάδες στο θαλάσσιο οικοσύστημα. Επιπλέων η κατανόηση των βασικών μηχανισμών αλληλεπίδρασης μεταξύ μικροοργανισμών και ρυπαντή (πετρελαιοειδή) μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη όχι μόνο της τύχης του πετρελαίου στο περιβάλλον αλλά και να συντελέσει στην δημιουργία βελτιωμένων διασκορπιστικών ουσιών ή βιογενών επιφανειοδραστικών ενώσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάτω από διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.Συγκεκριμένα η παραπάνω διερεύνηση απέδειξε ότι απουσία στοιχειωδών θρεπτικών, ο εμβολιασμός μονάχα με πληθυσμό αυτόχθονων μικροοργανισμών ικανών να αποδομήσουν τους πετρελαϊκούς υδρογονάνθρακες δεν θεωρείται επαρκής. Ωστόσο ο συνδυασμός απαραίτητων θρεπτικών ή άλλων περιοριστικών παραγόντων (π.χ. ραμνολιπίδια) μαζί με τον αυτόχθονο πληθυσμό των αποδομητών υδρογοναθράκων πλεονεκτεί με αποτέλεσμα την αυξημένη κατανάλωση των υδρογονανθράκων από τον πληθυσμό αυτόχθονων μικροοργανισμών που προστέθηκε. Έτσι λοιπόν πιστεύουμε ότι ο συνδυασμός αυτόχθονης βιοενίσχυσης και βιοδιέγερσης μπορεί να αποτελέσει μελλοντική στρατηγική που θα μπορούσε να επιταχύνει την βιοαποδόμηση σε περιπτώσεις όπου υπάρχει έλλειψη θρεπτικών και μικροοργανισμών. Η τεχνική αυτή παρουσιάζει μια σειρά πλεονεκτημάτων όπως μικρότερο χρόνο επεξεργασίας, μεγαλύτερη αποδοτικότητα, μικρότερη όχληση στο περιβάλλον και τυγχάνει σχετικά εύκολα δημόσιας αποδοχής. Έτσι λοιπόν η μελλοντική έρευνα που θα καθορίσει τη φέρουσα ικανότητα των διάφορων περιβαλλόντων και των μηχανισμών που τους ελέγχουν θα μπορούσε να είναι αρκετα εποικοδομητική στην εν προκειμένω προσέγγιση.