Βιοθεραπεία εδάφους

Η βιοθεραπεία εδάφους ή βιοαποκατάσταση εδάφους είναι τεχνική διαχείρισης αποβλήτων με τη χρήση μικροοργανισμών για την αφαίρεση ή εξουδετέρωση μολυντών από μια μολυσμένη θέση,. Σύμφωνα με τον EPA (Environmental Protection Agency), η βιοθεραπεία είναι τεχνική διαχείρισης που «χρησιμοποιεί φυσικούς οργανισμούς για να διασπάσει τις επικίνδυνες ουσίες σε λιγότερο τοξικές ή μη τοξικές. Οι τεχνολογίες διακρίνονται σε in situ ή ex situ. Η βιοθεραπεία in situ διαχειρίζεται επιτόπου το μολυσμένο υλικό, ενώ η ex situ απαιτεί αφαίρεση και μετακίνηση του μολυσμένου υλικού για την απολύμανσή του σε κάποιο άλλο σημείο. Παραδείγματα σχετικών τεχνικών είναι η φυτοθεραπεία εδάφους, ο βιοαερισμός, η βιοέκπλυση, η καλλιέργεια γης, ο βιοαντιδραστήρας, η κομποστοποίηση, η βιοαύξηση, το ριζοφιλτράρισμα, η μυκοθεραπεία και η βιοδιέγερση.

Γενικά

Η βιοαποκατάσταση ή βιοθεραπεία εδάφους υπό την οπτική γωνία της παραγωγικής χρήσης είναι μια σειρά από διαδικασίες για την αφαίρεση των τοξικών ουσιών από τους ρύπους που έχουν ενσωματωθεί στο περιβάλλον και απειλούν τη δημόσια υγεία, συνήθως με τη ρύπανση του εδάφους, του νερού ή της διαμόρφωσης τοξικών ιζημάτων. Αν και η βιοαποδόμηση των αποβλήτων είναι τεχνολογία αιώνων, μόνο κατά τις τελευταίες δεκαετίες έγιναν σοβαρές προσπάθειες για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων αποδόμησης της φύσης, με στόχο τις τεχνολογικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας για την αποτελεσματική αποκατάσταση του περιβάλλοντος. Η εξέλιξη αυτή στηρίζεται σε ένα συνδυασμό των βασικών εργαστηριακών ερευνών για την ταυτοποίηση και τον χαρακτηρισμό πολλά υποσχόμενων βιολογικών διεργασιών και την ανάπτυξη, καθώς και τη δοκιμή νέων τεχνολογιών βιοαποκατάστασης, καθθώς επίσης την εφαρμογή στο πεδίο αυτών των διαδικασιών, προκειμένου να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητα και η ασφάλειά τους.

Μόλυνση μετάλλων

Τα μέταλλα βρίσκονται παντού στη φύση. Εκείνα τα οποία θεωρούνται γενικά ρύποι, βρίσκονται σε υψηλές συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων στο περιβάλλον. Το μεγαλύτερο μέρος των προβλημάτων ρύπανσης από μέταλλα προκύπτει όταν η ανθρώπινη δραστηριότητα είτε διαταράσσει τον κανονικό βιοχημικό κύκλο των μετάλλων ή συγκεντρώνει μεγάλες ποσότητες μετάλλων. Παραδείγματα τέτοιων δραστηριοτήτων περιλαμβάνουν την εξόρυξη μεταλλευμάτων και τον κύκλο κατεργασίας τους, την επεξεργασία πυρηνικών και τη βιομηχανική παραγωγή διαφόρων προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των συσσωρευτών, των κραμάτων, των ηλεκτρικών εξαρτημάτων, των χρωμάτων, των συντηρητικών και των εντομοκτόνων. Μέταλλα σε αυτά προϊόντα ή απόβλητα μετάλλων από διαδικασίες παραγωγής μπορούν να υπάρχουν ως μεμονωμένα μέταλλα ή συχνότερα ως μείγματα μετάλλων. Οι πρακτικές απόρριψης αποβλήτων στο παρελθόν που σχετίζονται με την εξόρυξη και την κατασκευή είναι τέτοιες, που θέτουν σε σοβαρό κίνδυνο την ανθρώπινη υγεία.
Τα βαρέα μέταλλα, όπως το κάδμιο και ο μόλυβδος δεν απορροφώνται εύκολα ούτε αδρανοποιούνται από μικροοργανισμούς. Σε μια έρευνα υποδεικνύεται, ωστόσο, ότι τα οστά των ιχθύων απορροφούν μόλυβδο από το μολυσμένο έδαφος με αρκετή επιτυχία. Η αποτέφρωση οστών έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να βοηθήσει σε μολυσμένα εδάφη με μικρές ποσότητες καδμίου, χαλκού και ψευδαργύρου. Η αφομοίωση μετάλλων, όπως ο υδράργυρος, στην τροφική αλυσίδα είναι δυνατόν να κάνει τα πράγματα χειρότερα από περιβαλλοντικής άποψης. Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι προτιμότερη η φυτοθεραπεία εδάφους, καθώς φυσικά ή τροποποιημένα γενετικά φυτά είναι σε θέση να συσσωρεύσουν αυτές τις τοξίνες τα υπέργεια τμήματά τους, τα οποία στη συνέχεια συλλέγονται για την αφαίρεση της ρύπανσης. Τα βαρέα μέταλλα της βιομάζας συμπυκνώνονται περαιτέρω με αποτέφρωση ή και ανακυκλώνονται για βιομηχανική χρήση. Σε ορισμένα κατεστραμμένα τέχνεργα μουσείων έχει παρατηρηθεί η ύπαρξη μικροβίων, τα οποία θα μπορούσαν να καθοριστούν ως βιοθεραπευτικοί παράγοντες. Αντίθετα, άλλες προσμίξεις όπως είναι οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες, το κοινό πετρέλαιο, είναι σχετικά απλός ο στόχος της μικροβιακής αποικοδόμησης και ορισμένα εδάφη διαθέτουν την ικανότητα αυτοθεραπείας, εξαιτίας της παρουσίας αυτοχθόνων μικροβιακών κοινοτήτων, ικανών να αποδομήσουν τέτοιου είδους ενώσεις.

Πετρελαϊκή μόλυνση

Κατά τη διάρκεια αυτού του αιώνα η ζήτηση για το πετρέλαιο ως πηγή ενέργειας και ως πρωτογενή πρώτη ύλη για τη χημική βιομηχανία είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παγκόσμιας παραγωγής σε περίπου 3.500 εκατομμύρια μετρικούς τόνους ετησίως. Έχει εκτιμηθεί ότι περίπου το 0,1%, δηλαδή 35 εκατομμύρια τόνοι διαρρέουν στη θάλασσα ετησίως. Ένα μεγάλο μέρος του προβλήματος πετρελαϊκής ρύπανσης προκύπτει από το γεγονός ότι οι μεγάλες χώρες που παράγουν πετρέλαιο δεν είναι οι μεγαλύτεροι καταναλωτές πετρελαίου. Τούτο σημαίνει μαζικές μετακινήσεις του πετρελαίου από τις χώρες υψηλής παραγωγής με εκείνες της υψηλής κατανάλωσης. Αν και οι μεγάλες διαρροές αργού πετρελαίου από ατυχήματα σε δεξαμενόπλοια είναι και οι περισσότερο γνωστές περιπτώσεις ρύπανσης, τα ατυχήματα των δεξαμενόπλοιων αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό ποσοστό, περίπου ένα εκατομμύριο τόνους, των συνολικών διαρροών. Συγκριτικά, η διαρροή πετρελαίου στη θάλασσα κυρίως από διαρροές είναι περίπου 0,5 εκατομμύρια τόνους ετησίως. Οι κυριότερες πηγές ρύπανσης πετρελαίου είναι τα αστικά και βιομηχανικά απόβλητα και απορροές, διαρροές σε αγωγούς και δεξαμενές αποθήκευσης, όπως και η απόρριψη ακάθαρτου έρματος και υδάτων σεντίνας. Δεδομένου ότι ο χρόνος φυσικής υποβάθμισης των υδρογονανθράκων στη θάλασσα απαιτεί αιώνες οι διαλυμένοι υδρογονάνθρακες που κυκλοφορούν βαθιά στους ωκεανούς, αποτελούν παγκόσμιο πρόβλημα.
Η τοξικότητα των υδρογονανθράκων πετρελαίου σε μικροοργανισμούς, φυτά, ζώα και ανθρώπους είναι καλά τεκμηριωμένη. Στην πραγματικότητα, πολλές μελέτες για τη ρύπανση πετρελαίου απασχολούνται με τον θάνατο ή αναστολή της ανάπτυξης των μικροφυκών και των νεαρών θαλάσσιων ζώων από χαμηλές συγκεντρώσεις (5-100mg/l) πετρελαίου ή πετρελαϊκών κλασμάτων. Είναι γνωστό εδώ και 80 χρόνια ότι ορισμένοι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να αποδομούν υδρογονάνθρακες πετρελαίου και τους χρησιμοποιούν ως μόνη πηγή άνθρακα και ενέργειας για ανάπτυξη. Το πρώιμο αυτό έργο συνοψίστηκε από τον Davis το 1967. Μια πιο πρόσφατη μελέτη καλύπτει τον μικροβιακό μεταβολισμό των αλκανίων, τα κυκλικά αλκάνια, τους αρωματικούς και αέριους υδρογονάνθρακες, τη γενετική των μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν υδρογονάνθρακες για την πετρελαϊκή μόλυνση στο έδαφος και το νερό, καθώς και διάφορες πτυχές της εφαρμοσμένης μικροβιολογίας πετρελαίου. Πρόσφατες αξιολογήσεις για διάφορες πτυχές της βιολογικής αποδόμησης υδρογονανθράκων έγιναν από τους Morgan & Watkinson, Leahy & Colwell, Atlas και Rosenberg.

Εφαρμογή και πλεονεκτήματα

Η βιοαποκατάσταση ή βιοθεραπεία μπορεί να συμβεί με αφεαυτού (φυσική εξασθένηση ή εγγενής βιοαποκατάσταση) ή με την προσθήκη λιπασμάτων, οξυγόνου, κ.λπ., που ενθαρρύνουν την ανάπτυξη σχετικών μικροβίων, τα οποία τρέφονται με τη ρύπανση εντός του μέσου (βιοδιέγερση). Για παράδειγμα, το Μηχανικό του στρατού των ΗΠΑ απέδειξε ότι το στέγνωμα και ο αερισμός ρυπασμένων με πετρέλαιο εδαφών ενισχύει την βιοαποκατάσταση με την τεχνική της καλλιέργειας της γης. Ο απεμπλουτισμός του εδάφους από άζωτο μπορεί να ενθαρρύνει την βιοαποδόμηση ορισμένων αζωτούχων οργανικών χημικών ουσιών, ενώ υλικά του εδάφους με υψηλή ικανότητα προσρόφησης των ρύπων είναι δυνατόν να επιβραδύνουν την βιοαποικοδόμηση εξαιτίας της περιορισμένης βιοδιαθεσιμότητας των χημικών ουσιών στα μικρόβια. Πρόσφατες εξελίξεις έχουν επίσης αποδειχθεί επιτυχείς μέσω της προσθήκης κατάλληλων στελεχών μικροβίων στο μέσο για να ενισχυθεί η ικανότητα του μόνιμου μικροβιακού πληθυσμού να αποδομήσει τις προσμείξεις. Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για να επιτελέσουν τη λειτουργία της βιολογικής αποκατάστασης είναι γνωστοί ως βιοαποκαταστάτες.
Ωστόσο, δεν αντιμετωπίζονται εύκολα όλοι οι μολυντές με τη χρήση μικροοργανισμών. Η εξάλειψη ενός φάσματος ρύπων και αποβλήτων από το περιβάλλον απαιτεί αύξηση της κατανόησής μας της σχετικής σημασίας διαφόρων οδών και ρυθμιστικών δικτύων της ροής του άνθρακα σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα και για συγκεκριμένες ενώσεις. Τέτοιες διαδικασίες είναι δυνατόν να επιταχύνουν την ανάπτυξη των τεχνολογιών της βιοαποκατάστασης και της βιομεταμόρφωσης.
Υπάρχουν αρκετά πλεονεκτήματα στη σχέση κόστους / απόδοσης στη βιοθεραπεία, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιοχές που είναι απρόσιτες από εκσκαφείς. Για παράδειγμα, οι διαρροές υδρογονανθράκων (συγκεκριμένα, διαρροές βενζίνης) ή ορισμένων χλωριωμένων διαλυτών μπορούν να μολύνουν τα υπόγεια ύδατα. Με την εισαγωγή του κατάλληλου τροποποιημένου δέκτη ή δότη ηλεκτρονίων, ανάλογα με την περίπτωση, είναι δυνατόν να μειωθούν σημαντικά οι συγκεντρώσεις ρύπων μετά από ένα χρονικό διάστημα εγκλιματισμού. Τούτη η διαδικασία είναι τυπικά φθηνότερη από την εκσκαφή που σημαίνει μεταφορά και απόθεση του μολυσμένου εδάφους σε άλλα σημεία, που ακολουθείται από αποτέφρωση ή άλλες ex situ στρατηγικές αποκατάστασης και μειώνει ή εξαλείφει την ανάγκη για άντληση και καθαρισμό των υπόγειων υδάτων που συνήθως μολύνονται από υδρογονάνθρακες.

Προσεγγίσεις της γενετικής μηχανικής

Η χρήση της γενετικής μηχανικής για τη δημιουργία οργανισμών που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για βιοαποκατάσταση έχει μεγάλες δυνατότητες. Οι γενετιστές ερευνητές έχουν πλέον τη δυνατότητα να καλλιεργούν μικροοργανισμούς σημαντικούς για τη βιοαποκατάσταση και μπορούν να αξιολογούν τη φυσιολογία τους, χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό γονιδιακών τεχνικών πειραματισμού και μοντελοποίησης. Επιπλέον, οι νέες περιβαλλοντικές γονιδιακές τεχνικές προσφέρουν τη δυνατότητα για παρόμοιες μελέτες σε μη καλλιεργημένους ακόμα μικροοργανισμούς. Συνδυάζοντας μοντέλα που μπορούν να προβλέψουν τη δραστηριότητα των μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη βιοαποκατάσταση με τα υπάρχοντα γεωχημικά και υδρολογικά μοντέλα, οι επιστήμονες μπορούν να μετατρέψουν τη βιοθεραπεία από εμπειρική σε μεγάλο ποσοστό πρακτική επιστήμη.
Στα πλαίσια της γενετικής μηχανικής, για παράδειγμα, δημιουργήθηκε το βακτήριο Deinococcus radiodurans (ο πλέον ραδιοανθεκτικός γνωστός οργανισμός) και έχει τροποποιηθεί έτσι ώστε να καταναλώνει και να χωνεύει το τολουόλιο και τον ιονισμένο υδράργυρο σε ιδιαίτερα ραδιενεργά πυρηνικά απόβλητα. Ωστόσο, η απελευθέρωση γενετικά τροποποιημένων οργανισμών στο περιβάλλον μπορεί να είναι προβληματική, καθώς η παρακολούθησή τους μπορεί να είναι δύσκολη και απαιτεί την εισαγωγή βιοφωτοβόλων γονιδίων.