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1.2 Die biologische Sanierung von Ökosystemen, die  mit organischen Schadstoffen kontaminiert sind

Rohöl und seine raffinierte Produkte sind die wichtigsten Quellen von organischen Kontaminanten, die die Ökosysteme verschmutzen. Erdöl ist hauptsächlich durch drei Kohlenwasserstoff - Fraktionen (Paraffin, Naphthene und aromatische) zusammengesetzt. Jede Erdölfraktion ist in der Regel durch Hunderte von verschiedenen Kohlenwasserstoffmolekülen zusammengesetzt, eher als aus einer fest definierten Zusammensetzung. Somit sind Fraktionen unähnlich in Bezug auf die Volatilität, Bioverfügbarkeit, Toxizität, Abbaubarkeit und Persistenz. Spills sind schwierig bei der Erdölverarbeitung und Lieferung zu vermeiden. Diese komplexe Anordnung von Verbindungen stellt eine enorme Herausforderung dar, um für eine effektive biologische Sanierung Strategien zu entwerfen.

Sobald MKW eine Umgebung erreicht, können Schäden das Ergebnis mehrerer Ursachen sein. Primäre biologische Wirkung ist aufgrund der Sperrwirkung der Ölschicht auf dem Wasser, Nährstoffe, O2 und Lichteinwirkung. Zytotoxische und mutagene Wirkungen von Kohlenwasserstoffen führen zu langfristigen Umweltverschmutzungsfolgen. Eine bioverfügbare toxische Verbindung zeigt nicht nur erhöhte schädliche Wirkungen, sondern hat auch eine höhere Zugänglichkeit für den biologischen Abbau. Im Gegensatz dazu ist stark adsorbierte Fraktion weniger giftig, aber schwieriger zu behandeln. Diese allgemeine Regel ist relevant für die biologischen Strategien, um die Sanierung von belasteten Böden zu designen oder die von Sedimenten, weil Mineralöl-Kohlenwasserstoffe dazu neigen, fest zu dieser Matrizen zu adsorbieren.

Die Auswahl einer geeigneten Strategie zur Sanierung stützt sich auf die physikochemischen Eigenschaften der verschmutzten Matrix und den Grad und das Alter des Spills. Das Ziel der biologischen Sanierung ist es, die limitierenden Faktoren zu überwinden, die die Bioabbauraten verlangsamen. Die Bioremediation von organischen Verbindungen kann entweder durch in situ oder ex situ-Behandlungen durchgeführt werden. Während der in situ-Anwendungen wird die organische Verunreinigung an der Stelle behandelt. Die Ex-situ-Technologien beinhalten den Transport des verschmutzten Bodens zu einer Stelle, wo ein geeignetes Behandlungssystem zur Entfernung von organischen Verunreinigungen konstruiert werden kann. Für Erdöl-Kohlenwasserstoffe können sich vier Szenarien ergeben:

1. Der Überschuss an Kohlenstoffquellen durch die Eingabe ergibt eine Begrenzung von anderen Nährstoffen für den Kohlenwasserstoff. Die Zugabe von Stickstoff und Phosphor kann das Gleichgewicht wieder herstellen und die Bioabbauraten erhöhen.

2. Die unzureichende Sauerstoffverfügbarkeit sinkt mit den Raten des biologischen Abbaus. Lufteinspritzung oder einfaches Rühren können die Sauerstofflimitierung während des aeroben Abbaus von Kohlenwasserstoff überwinden.

3. Geringe Bioverfügbarkeit von Kohlenwasserstoffen. Die Zugabe von umweltfreundlichen Tensiden (wie diese ungiftig und biologisch abbaubar, wenn sie einmal hergestellt sind durch Mikroorganismen oder Pflanzen) kann die Löslichkeit verbessern und damit die Bioverfügbarkeit von Kohlenwasserstoffen.

4. Nicht-effiziente katabolische Maschinen aus nativen mikrobiellen Gemeinschaften. Addition der reinen Kultur oder von einem mikrobiellen Konsortium kohlenwasserstoffabbauender Mikroorganismen können die Abbauraten verbessern.


1.2.1. Microben-basierte Bioremediation von Organischen Verschmutzern

Hauptsächliche in situ Sanierungsstrategien für mit Kohlenwasserstoff verunreinigten Böden sind Biostimulation, Bioaugmentation und Bioventing.

Der Biostimulations-Prozess beinhaltet die Verbesserung der nativen Mikroorganismen- Stoffwechsel durch das Management von Umweltfaktoren und Nährstoffen. Die Zugabe von nativen oder exogenen kohlenwasserstoffabbauenden Mikroorganismen, wenn den nativen mikrobiellen Gemeinschaften die gewünschten katabolischen Fähigkeiten fehlen, ist notwendig, um eine Bioaugmentation durchführen zu können. Um den aeroben Stoffwechsel von organischen Verbindungen zu verbessern wird ein Netzwerk von geschlitzten Rohren verwendet, um Luft zu liefern (durch entweder passive oder durch Zwangsbelüftung) durch Bioventing.

Die am häufigsten verwendeten Ex-situ-Bioremediation-Technologien für ölverschmutzte Boden-Behandlungen sind Biopiles, Kompostierung und Landfarming. Das Ziel ist, den Kohlenwasserstoff-Abbau zu beschleunigen durch die Hinzufügung von Low-Cost-Nährstoffen und Sauerstoff.

Im Landfarming Verfahren erlaubt das kontrollierte Verteilen von organischen Abfällen auf der Bodenoberfläche nativen Mikroorganismen organische Schadstoffe aerob abbauen. Sie ist eines der am häufigsten verwendeten Techniken für die Sanierung von mit Erdölkohlenwasserstoff kontaminiertem Boden. Die Landfarming-Behandlung umfasst eine flache Schicht darin enthaltenen kontaminierten Bodens (bis zu 1,0 m in der Dicke), indem Nährstoffe hinzugefügt werden und der Boden periodisch gepflügt wird, um die Anwendung des biologischen Abbaus und die Verflüchtigung von Mineralöl-Kohlenwasserstoffen zu fördern. Die Behandlungsstrategien variieren für Landfarming und können je nach ortsspezifischen Eigenschaften angepasst werden, einschließlich Klima, Standort, Bodenart und Temperatur. Nährstoffänderungen, pH-Puffer und Füllstoffe können angewendet werden, um die Belüftung von Co-Substraten, mikrobiellem Stoffwechsel oder bakteriellen Impfungen zu stimulieren und können so die Effizienz der biologischen Sanierung erheblich erhöhen.

Biopiles und Mietenkompostierung beinhalten die Vermischung von verunreinigtem Boden mit organischem Material als Füllstoff. Diese Mischung fördert die mikrobielle Aktivität von Bodentextur und verbessert Belüftung und Feuchtigkeitspflege. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Strategien ist die Belüftungsmethodik. Komposte werden durch Drehen des Bodens / Füllstoff-Gemisch regelmäßig mit einem modifizierten Schwadendreher belüftet, während in Biopiles ein Rohrnetz Luft liefert. Biopiles und Schwaden wurden für die Sanierung einer breiten Palette von Verunreinigungen erfolgreich eingesetzt.


1.2.2. Phytosanierung von Organic Pollutants

Phytoremediation basiert auf den grundlegenden physiologischen Mechanismen in höheren Pflanzen und assoziierten Mikroorganismen, wie Transpiration, Photosynthese, Stoffwechsel und Mineralstoffernährung. Pflanzen wirken als solarbetriebene Pumpen und Filteranlagen, da sie Schadstoffe über die Wurzeln und deren Transport übernehmen und sie durch verschiedene Pflanzengewebe translozieren, wo sie metabolisiert, sequestriert oder verflüchtigt werden können. Phytoremediation stützt sich auf die Pflanzenwurzeln, die mikrobielle Aktivität durch die Freisetzung von Stoffwechselprodukten und eine verbesserte Belüftung fördern und anschließend den biologischen Abbau von MKW durch mikrobielle Abbauwege oder Co-Stoffwechsel erleichtern.

Die Wirksamkeit der Phytoremediation variiert in Abhängigkeit von der Konzentration von Erdölkohlenwasserstoffen, der Tiefe der Kontamination, den klimatischen Bedingungen und den Bodenfeuchtigkeitseigenschaften an einem Standort, die alle das wachsende Potential der Pflanzen beeinflussen. Pflanzen graben ihre Wurzeln in Böden, Sedimente und Wasser und Wurzeln können organische Verbindungen und anorganische Substanzen aufzunehmen; Wurzeln können Substanzen auf ihren äußeren Oberflächen stabilisieren und binden, und wenn sie mit Mikroorganismen interagieren, auch in der Rhizosphäre. Aufgenommene Substanzen können in den verschiedenen Zellen und Geweben der Pflanze transportiert, gelagert, umgewandelt und akkumuliert werden. Schließlich können die oberirdischen Teile der Pflanze Gase mit der Atmosphäre austauschen und so die Aufnahme oder die Freisetzung von Molekülen ermöglichen.


1.2.3. Neue Strategien für die biologische Sanierung

Die Verwendung bestimmter genetisch veränderter Organismus (Mikroorganismen und Pflanzen) (GVO), um die kontaminierte Umgebung (Luft, Boden und Wasser) zu reinigen, ist eine neue Strategie für die biologische Sanierung. Diese biotechnologische Technik wurde erstmals Anfang der 1990er Jahre erwähnt. Die Wissenschaftler nutzen derzeit den Gentechnik-Ansatz, um die Fähigkeit des Organismus zu erhöhen, bestimmte Chemikalien, wie Kohlenwasserstoffe und Pestizide zu verstoffwechseln. Diese biotechnologische Technik wurde intensiv zur Verbesserung des Abbaus von gefährlichen Abfällen unter Laborbedingungen untersucht. Die gentechnisch veränderten Organismen haben eine höhere Abbaufähigkeit und sind erfolgreich für den Abbau von verschiedenen Schadstoffen unter definierten Bedingungen nachgewiesen. Genetische Veränderungstechnologie wurde für Mikroorganismen und Pflanzen für erweiterte Bioremediationsverfahrens verwendet.

Gentechnisch veränderte Mikroorganismen für Bioremediation

Die Steuerung und Optimierung der mikrobiellen Bioremediationsprozesse ist ein komplexes System von vielen Faktoren. Zu diesen Faktoren zählen: die Existenz einer mikrobiellen Population mit der Fähigkeit, die Schadstoffe abzubauen; die Verfügbarkeit von Verunreinigungen zur mikrobiellen Population; die Umweltfaktoren. Einige Forscher behaupten, dass die Verwendung von gentechnisch veränderten Mikroorganismen (GMM) zur Bioremediation effektiver sei als die Verwendung örtlich vorhandener Mikroorganismen zur Bioremediation.

Gentechnisch veränderte Pflanzen zur Bioremediation

In der Natur können mehr als 450 Pflanzenarten (Gräser, Sonnenblumen, Mais, Hanf, Flachs, Luzerne, Tabak, Weide, Indischer Senf, Pappel, Wasserhyazinthe, usw.) Metalle (Zn, Ni, Mn, Cu, Co akkumulieren, und Cd), Metalloide (As), und Nichtmetalle (Se) in ihrem Körper. Darüber hinaus ist es effektiver mit der Phytoremediation biotechnologische Techniken zu kombinieren für Sanierungsverfahren. Genetisch veränderte Pflanzen (GMP) wurde erfolgreich in den letzten zwei Jahrzehnten eingesetzt.

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