Biorisanamento: caratteristiche, tipi, vantaggi e svantaggi

Il biorisanamento è un insieme di biotecnologie ambientali sanitarie che utilizzano le capacità metaboliche di microrganismi batterici, funghi, piante e / o i loro enzimi isolati per eliminare i contaminanti nel suolo e nell'acqua.

I microorganismi (batteri e funghi) e alcune piante possono biotrasformare un'ampia varietà di composti organici tossici e inquinanti, rendendoli non nocivi o innocui. Possono addirittura biodegradare alcuni composti organici nelle loro forme più semplici, come il metano (CH 4 ) e il biossido di carbonio (CO 2 ).

Inoltre alcuni microrganismi e piante possono estrarre o immobilizzare nell'ambiente ( in situ) elementi chimici tossici, come i metalli pesanti. Immobilizzando la sostanza tossica nell'ambiente, non è più disponibile per gli organismi viventi e quindi non li influenza.

Pertanto, la diminuzione della biodisponibilità di una sostanza tossica è anche una forma di biorisanamento, sebbene non implichi l'eliminazione della sostanza dal mezzo.

Attualmente vi è un crescente interesse scientifico e commerciale nello sviluppo di tecnologie economiche a basso impatto ambientale (o "rispettose dell'ambiente"), come il biorisanamento di acque superficiali, acque sotterranee, fanghi e suolo contaminato.

Caratteristiche del biorisanamento

Contaminanti che possono essere bioremediati

Tra gli inquinanti che sono stati bioremediati, ci sono metalli pesanti, sostanze radioattive, inquinanti organici tossici, sostanze esplosive, composti organici derivati ​​dal petrolio (idrocarburi poliaromatici o HPA), fenoli, tra gli altri.

Condizioni fisico-chimiche durante il biorisanamento

Poiché i processi di biorimedio dipendono dall'attività dei microrganismi e delle piante viventi o dei loro enzimi isolati, devono essere mantenute le condizioni fisico-chimiche appropriate per ciascun organismo o sistema enzimatico, al fine di ottimizzare la loro attività metabolica nel processo di biorisanamento.

Fattori che devono essere ottimizzati e mantenuti durante il processo di biorisanamento

-La concentrazione e la biodisponibilità dell'inquinante in condizioni ambientali: perché se è troppo alta può essere dannosa per gli stessi microrganismi che hanno la capacità di biotrasformarli.

-L'umidità: la disponibilità di acqua è essenziale per gli organismi viventi, così come per l'attività enzimatica dei catalizzatori biologici privi di cellule. In generale, un'umidità relativa del 12-25% deve essere mantenuta nei terreni sottoposti a biorisanamento.

-La temperatura: deve essere compresa nell'intervallo che consente la sopravvivenza degli organismi applicati e / o l'attività enzimatica richiesta.

-I nutrienti biodisponibili: essenziali per la crescita e la moltiplicazione dei microrganismi di interesse. Principalmente carbonio, fosforo e azoto devono essere controllati, così come alcuni minerali essenziali.

- Acidità o alcalinità del mezzo acquoso o pH (misurazione degli ioni H + nel terreno).

-Disponibilità di ossigeno: nella maggior parte delle tecniche di bioremediation vengono utilizzati microrganismi aerobici (ad esempio in compostaggio, biopiles e landfarming ) e l'aerazione del substrato è necessaria. Tuttavia, i microrganismi anaerobici possono essere utilizzati nei processi di biorisanamento in condizioni di laboratorio altamente controllate (utilizzando i bioreattori).

Tipi di biorimedio

Tra le biotecnologie di biorimediamento applicate sono le seguenti:

biostimolazione

La biostimolazione consiste nella stimolazione in situ di quei microrganismi già presenti nel terreno contaminato (microrganismi autoctoni), in grado di metabolizzare la sostanza contaminante.

La biostimolazione in situ si ottiene ottimizzando le condizioni fisico-chimiche per il verificarsi del processo desiderato, ovvero; il pH, l'ossigeno, l'umidità, la temperatura, tra gli altri, e l'aggiunta dei nutrienti necessari.

bioaugmentation

La bioaugmentazione implica l'aumento della quantità di microrganismi di interesse (preferibilmente autoctoni), grazie all'aggiunta dei loro inoculi coltivati ​​in laboratorio.

Successivamente, una volta inoculati microrganismi di interesse in situ, le condizioni fisico-chimiche devono essere ottimizzate (come nella biostimolazione), per promuovere l'attività degradante dei microrganismi.

Per l'applicazione della bioaugmentation, dovrebbero essere considerati i costi della coltura microbica nei bioreattori in laboratorio.

Sia la biostimolazione che la bioaugmentazione possono essere combinate con tutte le altre biotecnologie descritte di seguito.

compostaggio

Il compostaggio consiste nel mescolare materiale contaminato con terreno non contaminato, integrato con agenti e sostanze nutritive che migliorano le piante o gli animali. Questa miscela forma coni fino a 3 m di altezza, separati l'uno dall'altro.

L'ossigenazione degli strati inferiori dei coni deve essere controllata, attraverso la rimozione regolare da un luogo all'altro con macchinari. Devono inoltre essere mantenute le condizioni ottimali di umidità, temperatura, pH, sostanze nutritive.

biocelle

La tecnica di bioremediation con i biopiles è la stessa della tecnica di compostaggio descritta sopra, ad eccezione di:

  • L'assenza di agenti migliorativi di origine vegetale o animale.
  • L'eliminazione dell'aerazione con il movimento da un luogo all'altro.

I biopiles rimangono fissi nello stesso punto, essendo aerati nei loro strati interni attraverso un sistema di tubazioni, i cui costi di installazione, funzionamento e manutenzione devono essere considerati dalla fase di progettazione del sistema.

landfarming

La biotecnologia chiamata "landfarming" (tradotto dall'inglese: intagliato della terra) consiste nel mescolare il materiale contaminato (fango o sedimento) con i primi 30 cm di terreno incontaminato di una vasta terra.

In quei primi centimetri di terreno è favorito il degrado delle sostanze inquinanti grazie alla sua aerazione e miscelazione. Per questo lavoro vengono utilizzati macchinari agricoli, come i trattori per aratri.

Il principale svantaggio del landfarm è che richiede necessariamente ampi tratti di terra, che potrebbero essere utilizzati per la produzione alimentare.

fitodepurazione

Il Phytoremediation, chiamato anche biorimediamento coadiuvato da microrganismi e piante, è un insieme di biotecnologie basate sull'uso di piante e microrganismi per rimuovere, limitare o ridurre la tossicità delle sostanze contaminanti nelle acque superficiali o sotterranee, nel fango e nel suolo.

Durante la degradazione del phytoremediation, può verificarsi l'estrazione e / o la stabilizzazione (riduzione della biodisponibilità) del contaminante. Questi processi dipendono dalle interazioni tra piante e microrganismi che vivono molto vicino alle loro radici, in un'area chiamata rizosfera .

Il phytoremediation ha avuto particolare successo nella rimozione di metalli pesanti e sostanze radioattive dal suolo e dalle acque superficiali o sotterranee (o dalla rizofiltrazione di acque contaminate).

In questo caso, le piante accumulano i metalli dell'ambiente nei loro tessuti e quindi vengono raccolte e incenerite in condizioni controllate, in modo che l'inquinante vada dall'essere disperso nell'ambiente, ad essere concentrato sotto forma di ceneri.

Le ceneri ottenute possono essere trattate per recuperare il metallo (se è di interesse economico), oppure possono essere abbandonate in luoghi di smaltimento finale dei rifiuti.

Uno svantaggio del phytoremediation è la mancanza di una conoscenza approfondita delle interazioni che avvengono tra gli organismi coinvolti (piante, batteri e forse funghi micorrizici).

D'altra parte, le condizioni ambientali devono essere mantenute per soddisfare le esigenze di tutte le agenzie applicate.

bioreattori

I bioreattori sono contenitori di notevoli dimensioni, che consentono di mantenere condizioni fisico-chimiche molto controllate nei terreni di coltura acquosi, con l'obiettivo di favorire un processo biologico di interesse.

Nei bioreattori, microrganismi e funghi batterici possono essere coltivati ​​su larga scala e in laboratorio e quindi applicati in processi di bioaugmentation in situ. I microrganismi possono anche essere coltivati ​​nell'interesse di ottenere i loro enzimi che degradano le sostanze contaminanti.

I bioreattori vengono utilizzati nei processi di biorisanamento ex situ, quando il substrato contaminato viene miscelato con il terreno di coltura microbico, favorendo la degradazione del contaminante.

I microrganismi cresciuti nei bioreattori possono persino essere anaerobici, nel qual caso il mezzo di coltura acquoso deve essere privo di ossigeno disciolto.

Tra le biotecnologie di biorisanamento, l'uso di bioreattori è relativamente costoso, a causa della manutenzione delle attrezzature e dei requisiti per la coltura microbica.

mycoremediation

La micorreazione si riferisce all'uso di microrganismi fungini (funghi microscopici) nei processi di biorisanamento di una sostanza contaminante tossica.

Va considerato che la coltivazione di funghi microscopici è solitamente più complessa di quella dei batteri e quindi implica costi più elevati. Inoltre, i funghi crescono e si riproducono più lentamente dei batteri, mentre il biorisanamento a fungo è un processo più lento.

Biorimedio contro tecnologie fisiche e chimiche convenzionali

-Vantaggi

Le biotecnologie di bioremediation sono molto più economiche e amichevoli per l'ambiente rispetto alle tecnologie di risanamento ambientale chimico e fisico applicate convenzionalmente.

Ciò significa che l'applicazione del biorisanamento ha un impatto ambientale inferiore rispetto alle pratiche fisico-chimiche convenzionali.

D'altra parte, tra i microrganismi applicati nei processi di biorisanamento, alcuni possono continuare a mineralizzare i composti contaminanti, assicurando la loro scomparsa dall'ambiente, qualcosa di difficile da ottenere in un unico passaggio con i processi fisico-chimici convenzionali.

- Svantaggi e aspetti da considerare

Capacità metaboliche microbiche esistenti in natura

Poiché solo l'1% dei microrganismi esistenti in natura sono stati isolati, una limitazione del biorisanamento è precisamente l'identificazione di microrganismi in grado di biodegradare una sostanza contaminante specifica.

Ignoranza del sistema applicato

D'altra parte, il biorisanamento funziona con un sistema complesso di due o più organismi viventi, che in genere non è completamente noto.

Alcuni microrganismi studiati hanno biotrasformato i composti contaminanti in sottoprodotti ancora più tossici. Per questo motivo, è necessario studiare in precedenza in laboratorio gli organismi di biorisanificazione e le loro interazioni approfondite.

Inoltre, i test pilota su piccola scala (sul campo) devono essere eseguiti prima dell'applicazione di massa, e infine i processi di bioremediation in situ devono essere monitorati per garantire che l'igiene ambientale si verifichi correttamente.

Estrapolazione dei risultati ottenuti in laboratorio

A causa dell'elevata complessità dei sistemi biologici, i risultati ottenuti su scala ridotta in laboratorio non possono sempre essere estrapolati ai processi sul campo.

Particolarità di ogni processo di biorimedio

Ogni processo di biorimedio comporta uno specifico disegno sperimentale, in base alle particolari condizioni del sito contaminato, al tipo di contaminante da trattare e agli organismi da applicare.

È quindi necessario che questi processi siano diretti da gruppi interdisciplinari di specialisti, tra cui biologi, chimici, ingegneri, tra gli altri.

Il mantenimento delle condizioni fisico-chimiche ambientali per favorire la crescita e l'attività metabolica di interesse, implica un compito permanente durante il processo di biorisanamento.

Tempo necessario

Infine, i processi di biorimedio possono richiedere più tempo dei processi fisico-chimici convenzionali.