BIOLOGICKÉ SANAČNÍ METODY Ing. Vít Matějů ENVISAN-GEM, a.s. Biotechnologická divize envisan@mbox.vol.cz Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I O ČEM TO BUDE? Základní informace o biologických metodách sanace, jejich principech, možnosti použití, základy biochemických reakcí, přenos hmoty, limitující faktory, výhody a nevýhody Biologické technologie pro odstranění chlorovaných ethylenů, ropných uhlovodíků, aromatických uhlovodíků, přirozená atenuace, inženýrské a mikrobiologické aspekty sanací Biologické sanační metody I

CO TO JE HORNINOVÉ PROSTŘEDÍ ? Hladina Podzemní vody Saturovaná zóna Nesaturovaná zóna Zvodeň, kolektor Biologické sanační metody I

POLUTANTY – DNAPL, LNAPL Biologické sanační metody I

POLUTANTY – DNAPL, LNAPL Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I ZPŮSOB APLIKACE IN-SITU – na místě bez těžby pevných materiálů, bez čerpání vyčerpávání podzemní vody EX-SITU – po vytěžení pevných materiálů nebo vyčerpání podzemní vody a přemístění z kontaminované lokality ON-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání na kontaminované lokalitě OFF-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání mimo kontaminovanou lokalitu Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I ZPŮSOBY APLIKACE Nesaturovaná zóna in-situ - bioventing Saturovaná zóna in-situ – biosparging, bioslurping, bariéry, přirozená atenuace Vytěžená zemina ex-situ nebo on-site, suspenzní bioreaktory Vyčerpaná podzemní voda na povrchu (pump & treat) – čištění v bioreaktorech Čištění půdní vzduchu – čištění v biofiltrech Biologické sanační metody I

BIOLOGICKÉ SANAČNÍ METODY Anorganické polutanty Redukce sulfátu Fytoremediace Mokřady Biosorpce Bioimobilizace Biostabilizace Biologická redukce a oxidace kovů a radionuklidů Přirozená atenuace Biofiltrace Denitrifikace Organické polutanty Bioventing Biosparging Bioslurping Bioaugmentace Fytoremediace Bioimobilizace Biosorpce Kompostování Aerobní rozklad polutantů v zeminách Landfarming Kometabolismus Přirozená atenuace Biofiltrace Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOREMEDIACE IN-SITU DEFINICE bioremediace in-situ : Využití přirozených mikroorganismů k tomu, aby transformovaly, rozložily nebo imobilizovaly polutant přítomný v saturované zóně CÍL: Odstranit nebezpečné vlastnosti polutantu(ů) tak, aby vzniklé látky již nepůsobily nebezpečí pro lidské zdraví a životní prostředí Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I OBECNÉ SCHÉMA Biologické sanační metody I

BIOVENTING, BIOSPARGING Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOVENTING Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOVENTING Biologické sanační metody I

AIR SPARGING, BIOSPARGING Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOREMEDIACE EX SITU SLURRY PHASE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOREMEDIACE EX SITU Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOREMEDIACE EX SITU Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I LANDFARMING Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I PŘIROZENÁ ATENUACE BIODEGRADACE cca 95 % odstraněného znečištění Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I PŘIROZENÁ ATENUACE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOFILTRACE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOFILTRACE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I ZÁSADA Mikroorganismy pro nás nepracují, protože to my chceme, ale proto, že jim to přináší různé výhody, především energii pro množení a tvorbu biomasy a pro nezbytné fyziologické pochody Pokud jim zlepšíme podmínky v prostředí, pracují o to lépe. Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BEZE SLOV Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOLOGICKÝ ROZKLAD AEROBNÍ - v přítomnosti kyslíku (alifatické uhlovodíky, některé chlorované ethyleny, aromatické uhlovodíky, fenoly) ANAEROBNÍ – bez přítomnosti kyslíku (pentachlorfenol, tetrachlorethylen, aromatické uhlovodíky, organické kyseliny, nitroaromatické sloučeniny – TNT, RDX, HRX Biologické sanační metody I

SCHÉMA AEROBNÍHO MIKROBIÁLNÍHO METABOLISMU CO2 + H2O + biomasa Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I

MECHANISMY BIODEGRADACE Biologické sanační metody I

MECHANISMY BIODEGRADACE Biologické sanační metody I

AEROBNÍ DEGRADACE n-ALKANŮ Biologické sanační metody I

AEROBNÍ DEGRADACE AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ Biologické sanační metody I

REDUKTIVNÍ DEHALOGENACE Biologické sanační metody I

AEROBNÍ DEGRADACE NAFTHALENU Biologické sanační metody I

AEROBNÍ DEGRADACE POLYAROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I ENERGETICKÁ NÁROČNOST ANAEROBNÍHO ROZKLADU Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I KDE NAJÍT INFORMACE http://umbbd.msi.umn.edu/ University of Manitoba Biocatalysis/Biodegradation Database - UM - BBD 155 metabolických cest 1029 reakcí 973 látek 642 enzymů 379 mikroorganismů 239 biotransformačních pravidel 50 organických funkčních skupin 76 reakcí nafthalen 1,2-diooxigenasy 109 reakcí toluendiooxigenasy Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I University of Manitoba Biocatalysis/Biodegradation Database UB-BBD Pathway Prediction System Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I JAK BY TO MĚLO BÝT Energie Biomasa Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I JAK TO PROBÍHÁ Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOREMEDIACE ALE JAK TO JE OPRAVDU Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I SOUHLASÍTE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I OMEZUJÍCÍ FAKTORY Přenos hmoty do buňky Dostupnost molekul polutantu pro mikroorganismy (sorpce, rozpustnost) Enzymatický aparát mikroorganismů Tvorba toxických metabolitů Inhibiční podmínky v prostředí (toxicita polutantů, pH, teplota, nedostatek vlhkosti, nedostatek finálních akceptorů elektronů, limitace makro a mikrobiotickými prvky …..) Neschopost odourávat některé polutanty vedle sebe (např. toluen a chlorbenzen) Biologické sanační metody I

RYCHLOST OMEZUJÍCÍ PRVKY Biologické sanační metody I

BIOLOGICKÁ DOSTUPNOST POLUTANTU Vymytí povrchově aktivní látkou Biologické sanační metody I

ROZDĚLENÍ ZBYTKOVÉHO ZNEČIŠTĚNÍ Saturovaná zóna Nenasycená zóna Biologické sanační metody I

TRANSPORT HMOTY DO BUŇKY Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I OBOURÁVÁNÍ PAU BAKTERIE Diooxygenasa HOUBY Cyt P-450 Peroxidasy Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I SHRNUTÍ PŘEKÁŽEK Biologické sanační metody I

TRANSPORT HMOTY DO BUŇKY Biosurfaktanty, nepolární látky Biologické sanační metody I

DEAD-END PRODUKTY PYRENU - HOUBY Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I DEAD-END PRODUKTY Biologické sanační metody I

DEAD-END PRODUKTY PYRENU – HOUBY BÍLÉ HNILOBY Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I 1. PROBLÉM Stanovení PAU po extrakci nepolárními rozpouštědly Biotransformační produkty jsou polární – nestanoví se, nastává pokles koncentrace PAU - HURÁÁÁÁ !!! Skutečnost Biotransformační produkty a dead-end produkty jsou ve vodě mnohem rozpustnější a tedy mobilnější, jsou však často i toxičtější, takže zemina se sníženou koncentrací PAU po biodegradaci je z hlediska životního prostředí mnohem škodlivější, má podstatně vyšší ekotoxicitu a genotoxicitu Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I 2. PROBLÉM Heterocyklické sloučeniny podléhají rovněž biotransformaci – vznikají toxičtější produkty Pentachlorfenol tvoří v technické směsi jen 30 až 35 %, jsou tedy přítomny další kongenery – ale ty se nesledují (analyticky) Vedlejší produkt z chlorace fenolu – polychlorované dioxiny!!!! Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I CO MIKROORGANISMY UMÍ BIOTRANSFORMACE Obměna molekuly polutantu biologickou cestou, výsledek může být pozitivní i negativní BIODEGRADACE Rozklad organických látek na menší organické či anorganické molekuly MINERALIZACE Oxidace organické látky na oxid uhličitý a vodu (za uvolnění energie a tvorby mikrobiální biomasy) Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I MIKROORGANISMY Bakterie Kvasinky Plísně Dřevokazné houby Biologické sanační metody I

MECHANISMY VYUŽITÍ POLUTANTŮ NE PROTO, ŽE MY CHCEME Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I KOMETABOLISMUS Kometabolismus je transformace organické sloučeniny organismy, které nejsou schopné tuto látku využívat jako zdroj energie. Nespecifické enzymy pro jeden substrát jsou schopné využívat i jiné látky (např. monooxygenasy) Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I KOMETABOLISMUS Trichlorethylen (aerobně) Trinitrotoluen 1,1,1-trichlorethan MTBE Chloroform Biologické sanační metody I

BAKTERIE PRO BIOREMEDIACI Pseudomonas sp. Acinetobacter sp. Micrococcus sp. Rhodococcus sp. Ralstonia metallidurans Deinococcus radiodurans Accumulibacter phosphatis Sphingomonas aromaticivorans Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I PSEUDOMONAS P. putida P. aeruginosa P. fluorescens Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I KVASINKY Biologické sanační metody I

HOUBY – NENAPLNĚNÉ NADĚJE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I HOUBY - BIOREMEDIACE Tvorba exoenzymů – peroxidas – zrychlení biodegradace PAU – podobné ligninu, eliminace transportu do buňky Problém: kolonizace ošetřované půdy Veliké množství inokula – vysoká cena Tvorba dead-end produktů, výsledek horší než očekávání – spíše žádný Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BÍLÁ A HNĚDÁ HNILOBA Biologické sanační metody I

HOUBY – JAK BY TO MĚLO FUNGOVAT Biologické sanační metody I

HOUBY – JAK BY TO MĚLO FUNGOVAT Biologické sanační metody I

POUŽITÍ HUB, KTERÉ FUNGUJE Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I BIOPULPING PO PŘED Úspora cca $ 10 na 1 tunu celulosy + úspora 30 % energie Návratnost investice až 3 roky !!!! Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I

POKUSY O PRAKTICKÉ VYUŽITÍ DŘEVOKAZNÝCH HUB PRO BIOREMEDIACI Earthfax Engineering, Dr. Lamar, Utah, USA ATE, česká pobočka, Dr. T.M. Vogel, původní technologie francouzská Biologické sanační metody I

NEVÝHODY BIOREMEDIACE Špatný management – neznalost biologických principů Nesnadný odhad doby sanace Závislost na klimatu Tvorba transformačních produktů a dead-end produktů Nemůže být použita pro všechny polutanty Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I VÝHODY BIOREMEDIACE Většinou nejlevnější technologie Řeší jinak neřešitelné situace Využívá přírodních procesů Rozkládá polutanty na neškodné produkty (někdy) Je možné ji aplikovat mnoha způsoby Velmi vhodná jako doplňková metoda k jiným sanačním metodám Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I TAK CO SI O TOM MYSLÍTE? Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I OTÁZKY ? Biologické sanační metody I

Biologické sanační metody I DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST Biologické sanační metody I