Biodegradarea reziduurilor uleioase cu ajutorul microorganismelor

2012

CuprinsInroducere.............................................................................................................................3

1. Biodegradarea.......................................................................................................................4

1.1 Elementele implicate in procesul de biodegradare.............................................5

2. Hidrocarburi aromatice policiclice (HAP)..........................................................................6

3. Tratarea microbiologica a HAP............................................................................................7

3.1 Proprietatile microorganismelor.........................................................................8

3.2 Specii de microorganisme..................................................................................9

4. Bibliografie.........................................................................................................................11

2

IntroducereMicroorganismele nu ataca în mod normal substanţele grase în stare pură, numeroase

produse de această natură pot fi totuşi degradate biologic dacă mai conţin şi diferite substanţe

care permit microorganismelor să se multiplice şi, ulterior, să-şi manifeste activitatea lipolitica.

Microorganismele degradează grăsimile prin procese enzimatice de hidroliza sau de oxidare.

Hidroliza grăsimilor şi a uleiurilor are drept rezultat producerea de glicerol şi acizi graşi liberi,

dintre care cei care sunt volatile dau un miros perceptibil de la distant. În cazul produselor

alimentare, activitatea lipolitica de origine microbiană poate persista chiar şi după moartea

microorganismelor, atât în produsele pasteurizate, cât şi în cele conservate prin frig, datorită

marii rezistente la temperaturi extreme a unora dintre lipazele microbiene.

În mari şi oceane, acţiunea oxidantă a microorganismelor- bacteria, actinomicete şi fungi-

este răspunzătoare de degradarea eficientă a păcurii şi a diferitelor produse petroliere (deversate

annual în cantităţi de aproximativ câteva sute de g/m3 apă) prin descompunerea hidrocarburilor

parafinice, aromatice şi naftenice. Datorită acestui proces microbian care se asociază şi cu alte

mecanisme de epurare naturală, probabil mult mai puţin eficiente, că evaporarea, emulsificarea,

oxidarea spontană etc., suprafaţa oceanului este relative curate, deşi în ultimii 50 de ani au fost

vărsate în mari aproximativ 5 milioane tone de produse petroliere.

Există microorganisme că Pullularia pullulans, Phoma glomerata, Cladosporium sp.,

Alternaria sp. şi Flavobacterium marinum, capabile să altereze suprafeţele vopsite ale vaselor sau

instalaţiile portuare, atunci când aceste suprafeţe prezintă fisuri şi sunt “contaminate” cu diferite

substanţe nutritive, derivate fie din substrat, fie din mediu. Prezenţa fungilor în faza vegetative de

creştere măreşte retenţia de impurităţi din mediu şi o dată cu aceasta, concentraţia în substanţe

nutritive, ceea ce agravează evoluţia procesului de biodegradare.

3

1.BiodegradareaBiodegradarea este fenomenul prin care o substanţă se descompune natural cu ajutorul

unor microorganisme, din descompunerea acesteia rezultând alte substanţe inofensive. În

contrast cu factorii poluanţi din apa care necesită o tratare specială pentru a fi eliminaţi, exista

însă şi substanţe, numite biodegradabile, care nu poluează mediul. Un produs este numit

biodegradabil atunci când se transforma, se descompune şi se elimină în mod natural.

Resturile de mâncare, hârtia şi materialele de origina vegetale sau animală, cum sunt

bumbacul şi lâna, sunt biodegradabile; unele produse de curăţat sunt de asemenea

biodegradabile. În schimb numeroase materiale plastice nu sunt. Rezistente la uzură, la rupere

şi la acţiunea factorilor chimici, ele formează depozite după urare. Pentru aceste materiale

artificiale, chimişti au inventa metode de reciclare (reciclarea este transformarea deşeurilor în

produse noi). Unele materiale plastice sunt rupte şi folosite apoi la fabricare aglomeratelor, a

materialelor de construcţii sau pentru asfaltarea drumurilor. Altele, care nu degaja gaze

nocive, sunt arse şi folosite la încălzitul urban. Cu toate astea se încearcă realizarea

materialelor plastice biodegradabile, care să se descompună tot aţa de natural ca hârtia şi

lemnul.

Biodegrabilitatea este un proces cu implicaţii complexe, ce trebuie evaluat cu atenţie, în

maniere adecvate, inclusiv din punct de vedere al impactului asupra mediului. Astfel,

procesul de biodegradare, în sine, precum şi produşii rezultaţi trebuie să corespundă din punct

de vedere economic şi ecologic. Există o serie întreagă de directive, legi şi norme ce fac

presiuni asupra întregii filiere de concepere şi perfecţionare a materialelor şi produselor

biodegradabile.

În acest sens, se utilizează o serie de microorganisme (bacterii, drojdii, mucegaiuri) care

au fost studiate din punct de vedere metabolic (şi unele chiar modificate genetic) pentru a se

obţine cu ajutorul lor biomasă microbiană sau produşi metabolici primari şi secundari de

utilitate practică. Deşi producerea de biomasă proteică microbiană folosind diverse materii

este bine cunoscută încă de la începutul secolului trecut, studiile în acest domeniu nu s-au

oprit aici şi au continuat asupra: perfecţionării tehnologiilor, utilizării unei game tot mai largi

4

de substraturi reziduale şi asupra selecţionării, adaptării şi chiar modificării unor

microorganisme.

1.1.Elementele implicate in procesul de biodegradareUnul dintre elementele implicate în procesul de bioremediere este agentul poluant, în

cazul nostru solul poluat cu hidrocarburi. Acesta este biodegradat în urma activităţii microbiene

din sol. Viteza de biodegradare a poluanţilor de către microorganisme este influenţată de anumiţi

factori, cum ar fi: nutrienţi, tipul de sol, umiditate, temperatură, pH, tipul şi metabolismul

microorganismelor.

Nutrienţii necesari pentru dezvoltarea celulelor sunt azotul, fosforul, potasiul, sulful,

magneziul, calciul, manganul, fierul, zincul, cuprul şi alte microelemente. Pentru ca activitatea

biologică să decurgă în condiţii optime şi pentru asigurarea necesarului de nutrienţi trebuie că

raportul C: N: P să fie aproximativ 100:10:1.

Dezvoltarea microorganismelor este influenţată şi de umiditate, domeniul optim fiind

între 25 - 85%, întrucât apa asigură transportul nutrienţilor, favorizează cataliza enzimatică şi

menţine presiunea osmotică a celulelor.

Temperatura influenţează activitatea microbiană din sol. Viteza de biodegradare este

scăzută la temperaturi scăzute, astfel încât în zonele cu climat rece procesul de bioremediere

poate fi ineficientă în perioadele reci ale anului dacă bioremedierea nu se realizează într-o incintă

cu climat controlat. Ca regulă generală, temperaturile mici întârzie viteza de volatilizare a

hidrocarburilor cu greutate moleculară mică, dintre care unele sunt toxice pentru microorganisme.

De asemenea, în regiunile reci, vitezele de degradare sunt mult mai mici şi, în consecinţă, mai

puţin adecvate îndepărtării ţiţeiului din mediu.

PH-ul solului influenţează solubilitatea, respectiv disponibilitatea multor constituenţi din

sol afectând activitatea biologică a microorganismelor. PH-ul trebuie să se situeze între valori

optime cuprinse între 5,5 - 8,5.

Un alt element foarte important în biodegradarea hidrocarburilor este concentraţia de

oxigen, aceasta influenţând activitatea microbiană din sol. În funcţie de conţinutul în oxigen din

sol, procesele de degradare pot fi de tipul aerob sau anaerob. Biodegradarea ţiţeiului este deosebit

de activă în aerobioză, fapt explicabil deoarece toate căile biochimice cunoscute funcţionează cu

participarea oxigenazelor şi a oxigenului molecular.

5

2.Hidrocarburi Aromatice Policiclice (HAP)

HAP sunt un grup mare de hidrocarburi care conţine două sau mai multe inele de benzen

topită împreună sau inele de alte hidrocarburi. Acestea sunt în principal format ca piroliza de

produse, în special în timpul arderii incomplete a materialelor organice în timpul industriale şi

alte activităţile umane. Există câteva sute de HAP, care există de obicei ca amestecuri mai

degrabă decât ca produse chimice individuale. HAP este cel mai bine cunoscut şi va fi punctul

central al acestei compendiu.

Pentru populaţia generală, principalele surse de expunere la HAP sunt din înconjurător şi

aerului interior ca urmare a incendiilor rezidenţiale de încălzire, fumul de ţigară, de cărbune şi de

lemn şi de vehicule de evacuare, precum şi din alimente. Diverse alimente, cum ar fi legume,

carne şi peşte au fost dovedit a conţine HAP, dar ele sunt în mare parte format ca urmare a gătit la

temperaturi ridicate cum ar fi charbroiling, grill şi prăjire. Afumat şi barbequed alimentare sunt

deosebit de importante surse de expunere, deşi cea mai mare contribuţie la aportul zilnic HAP

vine de la uleiuri şi grăsimi. HAP sunt de obicei detectate în apele de suprafaţă, din cauza

scurgeri urbane şi activităţilor industriale. Acestea sunt monitorizate cu regularitate în apa de băut

Marea Britanie pentru scopuri de reglementare.

Principal sursa de contaminare a apei potabile, cu urme de HAP este de obicei asociat cu

gudron de cărbune garnituri de conducte de distribuţie. Cu toate acestea, apă potabilă contribuie

doar un minor suma de aportul total de HAP. Acestea se găsesc în majoritatea solurilor de

suprafaţă ca urmare a depunerilor atmosferice sau urbane doilea tur de scrutin. Solurile în

apropiere de surse industriale, cum ar fi, de asemenea, cocsificarea cărbunelui conţin adesea mare

concentraţiile de HAP.

În general, calea principală de expunere a publicului larg este prin inhalare a mediului

ambiant şi aerului interior şi ingestia de alimente. Expunerea la locul de muncă este în mare

măsură prin inhalare şi absorbţia cutanată. Lucrătorii angajaţi în profesii, cum ar fi pavarea

drumurilor, asfalt acoperişuri, plante de aluminiu, fier şi oţel turnătorii, precum şi vânzătorii de

pe stradă, pompieri, mecanici şi fente de fum poate fi profesional expuse la HAP.

6

3. Tratarea microbiologica a HAP

Biodegradarea este un proces prin care microorganismele cum ar fi bacteriile, fungii si

drojdiile descompun compusi chimici in produse simple pentru a obtie energie si nutrienti.

Procesul de biodegradare a hidrocarburilor petroliere este un proces natural lent.

Tehnologiile de decontaminare prin biodegradare, pot ajuta ca procesul de biodegradare

sa fie accelerat. Astfel pentru indepartarea hidrocarburilor pentroliere din mediu afectat prin

biodegradare, sunt necesare metode de stimulare a procesului: adaugare de nutrienti (fertilizare)

sau adaugare de microorganisme specializate (insamantare).

Biodegradarea hidrocarburilor petroliere existente in diferite medii, in particular in sol, se

bazeaza pe de o parte pe utilizarea microorganismelor indigene, deja existente in natura si

adaptate la poluantul respectiv, iar pe de alta parte pe introducerea de microorganisme allohtone.

Tocmai de aceea in procesul de depoluare, apare de mai multe ori necesitatea selectarii din

multitudinea de microorganisme existente in natura pe acelea care corespund scopului urmarit.

In acest sens, bacteriile de interes sunt selectate din mediile poluate si apoi sunt supuse

unui screening de laborator care permite alegerea acelor tulpini sau asociatii care manifesta

performantele cele mai bune in degradarea hidrocarburilor reziduale.

Tab.1 Efectul biodegradatii microbiene asupra reziduurilor uleioase

Reziduu uleios Concentratia initiala

(ppm)

Biodegradarea (%) Tipul (zile)

Petrol extras 50.000 99.0 7

Namol rezultat in urma

extragerii petrolului

50.000 90.0 14

Uleiuri din vopsea 128.000 96.0 14

Uleiuri din ape reziduale 26.000 92.3 10

7

3.1 Proprietatile microorganismelor

Principalele condiţii pe care trebuie să le îndeplinească microorganismele în procesele de

biodegradare a petrolului:

să degradeze intens şi rapid o gamă cât mai mare de compuşi din petrol;

să se reproducă rapid;

să se multiplice şi în medii naturale;

să fie genetic stabile şi să poate fi conservate şi recultivate fără a suferi modificări

esenţiale;

să nu producă efecte toxice şi să nu fie patogene;

să poată fi utilizate în asociere cu alte microorganisme active, pentru a asigura degradarea

diferitelor tipuri de hidrocarburi.

Posibilele efecte negative ale microorganismelor asupra hidrocarburilor petrolieri:

alterarea ţiţeiului brut din rezervoare asociată cu diminuarea densităţii normale şi cu alte

modificări nedorite;

decolorarea produşilor de rafinare;

scăderea cifrei octanice a kerosenului şi gazolinelor utilizate în aeronautică;

apariţia de mirosuri dezagreabile şi modificarea proprietăţilor fizico-chimice ale uleiurilor

minerale folosite ca lubrefianţi sau că agenţi de răcire

producerea de amestecuri explozive în tancurile de stocare a kerosenului sau gazolinei,

prin formarea unui amestec de metan şi H2, rezultat din descompunerea kerosenului în

contact cu apa.

Microorganismele care participă în procesul de biodegradare a hidrocarburilor sunt:

bacteriile, fungii, levurile, precum şi algele. Însă cele mai importante grupe sunt constituite din

bacterii şi fungi.

Din cadrul bacteriilor cu preponderentă sunt utilizate cele aerobe (Achromobacter sp.,

Acinetobacter sp., Actinomyces sp., Alcaligenes sp., Arthrobacter sp., Bacillus sp,

Brevibacterium sp., Corynebacterium sp., Flavobacterium sp., Micrococcus sp., Mycobacterium

sp., Nocardia sp., Pseudomonas sp., Spirillum sp., Serratia sp., Rhodococcus sp., Vibrio sp.),

8

urmate de cele anaerobe (Geobacter metallireducens, ThaueraAromatica, Desulfococcus

multivorans, Clostridium sp., Desulfobacterium cetonicum).

Fungii care au o importanŃă deosebită în degradarea hidrocarburilor fac parte din

următoarele genuri: Alternaria, Apergillus, Cephalosporium, Cladosporium, Fusarium,

Graphium, Geotrichum, Mucor, Penicillium, Rhizopus, Trichoderma.

3.2 Specii de microorganisme

Genul Achromobacter a fost folosit cu succes în degradarea carbazolului, şi phenanthrene

degradation (Achromobacter xylosoxidans).

Din cadrul genului Bacillus se remarcă speciile:

Bacillus firmus – tulpina APIS272 este capabil să degradeze complet acenaftilena,

antracen, şi benzo fluoranten şi să reducă concentraţiile de naftalină, dibenzo antracen şi

indeno piren.

Bacillus licheniformis - tulpina APIS473 este capabil să degradeze complet doar

antracenul, în timp ce la restul hidrocarburilor doar reduce concentraţia.

Bacillus subtilis - tulpina SBS526 degradează complet acenaftena, antracen şi benzo [b]

fluoranten şi reduce concentraŃia de naftalină, indeno piren, precum şi toluenul.

Bacillus pumilus în urma experienţelor s-a demonstrat a fi cel mai eficient în procesul de

biodegradare a hidrocarburilor realizând degradarea în procent de 86,94%.

Genul Brevibacterium izolat din solurile nigeriene a degradat 40% din hidrocarburi în timp de

12 zile.

Speciile de Mycobacterium care au capacitatea de a biodegrada hidrocarburile sunt M.

lacticola, M. luteum, M. phlei, M. rubrum, iar ultimele trei specii enumerate degradează benzina,

petrolul şi parafină.

Din cadrul genului Pseudomonas se remarcă: Pseudomonas alcaligenes - tulpina DAFS311

care degradează complet naftalină, benzo luoranten şi indeno piren şi reduce concentraţiile de

antracen, benzo antracen şi benzo perilen şi Pseudomonas putida care are abilitatea de a degrada

solventi organici, cum ar fi toluenul au naftalina.

9

În cazul fungilor au capacitatea de biodegradare a hidrocarburilor, a unor tulpini din

genurile Aspergillus, Penicillium, Paecilomyces şi Fusarium.

Genul Penicillium, care a avut capacitatea de a degrada 90% fenantrenul şi 75%

acetnaftilena şi fluorenul. Capacitatea speciei Cladosporium resinae de a degrada hidrocarburile

alifatice.

Genul Rhizopus cuprinde ciuperci filamentoase, care se găsesc în sol, fructe, legume şi

pâine veche. Genul a fost izolat şi studiat din punct de vedere al capacităţii de biodegradare al

hidrocarburilor, obţinându-se rezultate satisfăcătoare. Biodegradarea se realizează în mai multe

etape şi nu este rezultatul unui singur organism specific, de obicei acţionează sinergic mai multe

tulpini de microorganisme.

Fenomenul de sinergism dintre Nocardia şi Pseudomonas, care în asociere sunt capabile

să degradeze ciclohexanul: Nocardia prin utilizarea ciclohxanonului produce compuşi

intermediari, care sunt preluaţi de Pseudomonas, produce factori de creştere (cu preponderentă

biotină) necesari pentru creşterea bacteriei Nocardia.

În urma experienţelor s-a observat faptul că Penicillium şi Rhodococcus s-au dovedit a fi

foarte eficiente în degradarea hidrocarburilor aromate policiclice, în timp ce Rhodococcus alături

de Aspergillus terreus nu au avut relaţii sinergice.

10

4. Bibliografie1. http://en.wikipedia.org/wiki/Polycyclic_aromatic_hydrocarbon

2. http://www.public.iastate.edu/~tge/courses/ce521/vmicky.pdf

3. http://proenvironment.ro/promediu/article/viewFile/5828/5324

4. http://www.cheme.utm.my/cheme/index.php/featured-article/biodegradation-of-oily-waste

5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC372779/pdf/microrev00038-0103.pdf

6. http://envismadrasuniv.org/Biodegradation/pdf/Crude%20petroleum%20oil.pdf

7. http://ei.cornell.edu/biodeg/

8. http://wvlc.uwaterloo.ca/biology447/modules/module5/5_main.htm

11