VEGYIPARI és BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK Környezeti biotechnológia, talajremediáció

Átírás

1 VEGYIPARI és BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK Környezeti biotechnológia, talajremediáció Dr. Feigl Viktória és Dr. Molnár Mónika Október 10. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Kutatócsoport Elérhetőség: Ch. épület 244,

2 ELŐADÁS TEMATIKA (2016. okt. 10. és 11.) Mikroorganizmusok, szerepük és jelentőségük Biotechnológia Talaj, talajszennyező anyagok, környezeti kockázatmenedzsment Talajremediáció, bioremediáció Esettanulmányok: 1. Transzformátor olaj szennyezettség kezelése bioremediációval 2. Gyöngyösoroszi Pb és Zn bánya rehabilitációja Page 2

3 MIKROORGANIZMUSOK Organizmusok, melyek nem jutottak el a szövetes differenciálódásig, és életciklusuk jelentős részében szabad szemmel nem láthatók. Vírusok Archeák Baktériumok Prokarióták Bacillus megaterium Aspergillus niger Algák Protozoonok Eukarióták Page 3 Gombák Tetrahymena pyriformis Chlorella vulgaris

4 MIKROORGANIZMUSOK - BAKTÉRIUMOK Escherichia coli nua/lab6/images/ecoli01_scale.jpg gy/bi_bacteriology/cl_clostridia/m_ BI_CL_20small.jpg Bacillus faj 2/LabProcedures/Gramposcocci.jpg Page 4

5 MIKROORGANIZMUSOK - GOMBÁK Gombák: Erjesztők az élelmiszeriparban. Szekunder metabolitok termelése a gyógyszeriparban (antibiotikumok, hormonok). Élesztőgombák Fonalasgombák Saccharomyces cerevisiae Page 5 Penicillium roqueforti Kezdetek: sumérok sörfőzése

6 MIKROORGANIZMUSOK SZEREPE, JELENTŐSÉGE Talaj baktérium közösség Lebontó folyamatok Biogeokémiai ciklusok A levegő nitrogénjének hasznosítása (N-fixálás) Együttélés magasabb rendű élőlényekkel Modell- és tesztorganizmusok Tudatos gyakorlati felhasználás /Microbes/Thiobacillus.html Kén-oxidáló baktériumok extrém élőhelyek Rhizobium leguminosarum Page 6

7 BIOTECHNOLÓGIA Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimek) felhasználása Page 7

8 BIOTECHNOLÓGIAI/FERMENTÁCIÓS ELJÁRÁSOK CÉLJAI Sejttömeg termelés pékélesztő, egysejtfehérje Sejtkomponensek előállítása intracelluláris enzimek, poliszacharidok, nukleinsavak Metabolit termelés primer: etanol, tejsav szekunder: antibiotikumok Egyszerű szubsztrát konverzió glükóz fruktóz, penicillin 6-NH 2 -penicillánsav Multi-szubsztrát konverzió biológiai szennyvíztisztítás, bioremediáció Page 8

9 TALAJ, TALAJVÉDELEM A földkéreg legkülső, termékeny része. Hazánk legjelentősebb természeti erőforrása. A mezőgazdaság legfontosabb termelőeszköze, értéke a nemzeti vagyon 20 %-a. Talajromlás: talaj tulajdonságainak kedvezőtlen irányú megváltozása. Talajdegradáció (pl. erózió, szervesanyag és tápelemtartalom csökkenés, talajszerkezet romlás, savanyodás, szikesedés Talajszennyezés Az emberek számára jelentős ökológiai talajfunkciók károsodhatnak. Talajvédelem: a további talajromlás megelőzése, a talaj funkcióinak és a leromlott talaj minőségének helyreállításával. Page 9

10 TALAJFUNKCIÓK, ÖKOSZISZTÉMA SZOLGÁLTATÁSOK Feltételesen megújuló természeti erőforrás Földi elemkörforgalom Biomassza termelés: a bioszféra primer tápanyagforrása Földtörténeti és történelmi örökségek őrzője Építőanyagok forrása és épületek alapja Ökológiai élettér Génrezervoár (a biodiverzitás nélkülözhetetlen eleme) Raktározóképesség és szabályozás (hő, víz, növényi tápanyagok, CO 2 ) Pufferkapacitás, szűrés, detoxikálás Page 10

11 A TALAJ KOMPLEX RENDSZERE Élőlények a talajban blogs.oregonstate.edu Page 11 Háromfázisú rendszer

12 A TALAJSZENNYEZŐDÉS FORRÁSAI Szennyezőforrás mérete szerint: Pontszerű szennyezőforrások (pl. ipari emisszió, hulladéklerakók ) Nem pontszerű (diffúz) szennyezőforrások (kiülepedés a légkörből, műtrágyák használata ) Szennyezés eredete szerint: Természetes eredetű források (vulkáni eredetű, ásványi eredetű ) Emberi eredetű (antropogén) források EU European Environment Agency felmérése (2011) Page 12

13 SZENNYEZŐANYAGOK A TALAJBAN Toxikus nehézfémek (Pb, Cd, Ni, Hg, Cu, Zn) Ásványolaj és ásványolaj-termékek Policiklikus aromás szénhidrogének (PAH) Aromás szénhidrogének (BTEX: benzol, toluol, etil-benzol, xilol) Fenolok Klórozott szénhidrogének, poliklórozott bifenilek (PCB) és egyes származékaik Cianidok EU European Environment Agency felmérése (2011) Hasonló adatok felszíni vizekre és talajvízre! Page 13

14 (SZERVES) SZENNYEZŐANYAGOK A TALAJBAN Gáz és gőz talajgázban, szorpcióval a szilárd felülethez kötődve Folyékony talajnedvességben, talajvízben oldva, emulgeálva, folyadékfilm, a szilárd fázishoz kötődve, különálló fázisként Szilárd talajszemcsékhez keveredve, szilárd szemcsék felületéhez kötve szorpcióval, mátrixba kötődve különféle erőkkel (pl. a humuszba épülve) F. Volkering, A.M. Breure, W.H. Rulkens: Microbiological aspects of surfactant use for biological soil remediation, Biodegradation, 8 (1998), p. 401 LNAPL: light nonaqueous phase liquid (pl. olaj, BTEX) Page 14 DNAPL: dense nonaquaeous phase liquid (pl. halogénezett szénhidrogének)

15 KÖRNYEZETI KOCKÁZAT CSÖKKENTÉSE EU European Environment Agency felmérése (2014) Környezeti kockázat: A vegyi anyagok környezetbe kerülése alapján előre jelezhető káros hatás. Abszolút (kitettség és hatás hányadosa) vagy relatív mérőszámmal jellemzett érték. RQ=PEC (Predicted Environmental Concentration) / PNEC (Predicted No Effect Environmental Concentration) Remediáció: meggyógyítás. Vegyi anyagokkal 342 szennyezett környezeti elemek és/vagy fázisok környezeti kockázatának elfogadható mértékűre 15 csökkentése. Page 15 RQ<1

16 Page 16 KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT

17 A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek csoportosítása a kezelés helye szerint Rendezett biztonságos lerakás Szennyezett talajtérfogat kapszulálása Környezettől való elszigetelés, kockázatcsökkkentés nem végleges Ex situ off site Kezelés a talaj (talajfázisok) eredeti helyéről való eltávolítás után, kezelő üzemben/udvaron Kiszívott talajgáz v. pára kezelése, gyakran csak a szilárd Ex situ on site Kezelés a talaj eredeti helyéről való eltávolítás után a helyszínen Technológiai szempontból kevés a különbség az ex situ-hoz képest Megkülönböztetés: a kapcsolódó műveletek, időtartam In situ Kezelendő talajfázisokat nem távolítjuk el (vagy egyiket sem, vagy csak a szilárdat nem) Kvázi reaktor (Nyitott reaktor: faltalan, de nem végtelen) nt/6/6/363/f8.expansion.html al-desorption-projects/ Page ling%20services/insitu%20remediation.php

18 A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek További csoportosítási lehetőségek Kezelt talaj fázisok: talajlevegő, talajnedvesség, talajvíz, talaj szilárd fázisa Szennyezőanyagok immobilizálása/mobilizálása Technológia alapfolyamata: Fizikai: szennyezett talajgáz elszívása és a víz kiszivattyúzása a talajból és felszíni kezelése Kémiai: a mobilitás növelése: illékonnyá tétel, vízoldhatóvá tétel, biológiai hozzáférhetőség növelése, immobilizálás: oldhatatlanná tétel, kicsapás, teljes vagy részleges bontás, toxikusság csökkentés: toxicitásért felelős csoportok elbontása, lecserélése (pl. deklórozás) Termikus: A kismértékű hőmérsékletemeléstől (intenzifikálja a biológiai folyamatokat, növeli az illékonyságot, deszorpciót) a közepes, a magas és az extrém magas (égetés) hőfokokig, gőz, meleg levegő, elektromos erőtér, rezgések segítségével Biológiai 234 Page 18

19 Biológiai folyamatokon alapuló talajkezelési technológiák A bioremediáció olyan technológia, amely élő sejtek vagy szervezetek, esetleg azok valamely termékének (pl. enzim) biogedradációs, bioakkumulációs vagy biológiai stabilizáló képességét állítja a technológia középpontjába, ezeknek a biológiai folyamatoknak biztosít optimális körülményeket az alkalmazott technológiai paraméterekkel, adalékanyagokkal. Felhasználhatóak: Ökoszisztéma endogén tagjai/közösségei Izolált és mesterségesen felszaporított mikroorganizmusok, növények (adaptált, genetikailag módosított ) Aktív közösségek (pl. szennyvíziszapból, komposztból, aktív talajból stb.) Page 19

20 Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban Biodegradáció: szerves szennyezőanyagok komplexitásának csökkentése vagy teljes lebontása, mineralizációja, biológiai hatásra. Szerves szennyezőanyagok sorsa: Perzisztencia Beépülés a biomasszába Beépülés a táphumuszba / szerkezeti humuszba Fosszilizáció Page 20 ohioline.osu.edu

21 Biológiai folyamatokon alapuló talajkezelési technológiák Cél: A mikroflóra működésének optimálása, aktivitásának növelése Fokozatok beavatkozástól függően: Enyhe beavatkozás: nedvesítés, levegőztetés, tápanyag adagolás, ph állítás Erőteljesebb beavatkozás: adalékanyagok alkalmazása, mikrobiális oltóanyagok, hőmérséklet emelése Helyszínspecifikusság In situ, ex situ Talajgáz, talajvíz, teljes talaj Page 21

22 Innovációk a talaj bioremediációban Természetes alapú technológiák (NA, MNA, ENA) In situ technológiák Fitoremediáció: talaj; felszín alatti és felszíni vizek (tavas rendszerek) Speciális adalékok és kezelések: a szennyezőanyag mozgékonyságának vagy stabilitásának növelésére, vagy csökkentésére, a biológiai aktivitás növelésére vagy csökkentésére Zöld remediáció: ökológiai lábnyom csökkentése Fitoremediáció Forrás: US EPA: A citizen s guide to greener cleanups Page 22

23 DÖNTÉSI FOLYAMAT 1. Területfelmérés, konceptuális terület modell 2. Technológiai szempontok: szóba jövő technológiai alternatívák kijelölése 3. A megfelelő technológiai alternatívák rangsorolása (ökomérnök): 1. ökoszisztéma és az emberi egészség védelme, 2. kockázatkommunikációs és szociális szempontok, 3. területfejlesztés, területhasználat, 4. gazdasági szempontok. De a terület tulajdonosa ettől eltérő prioritásokat jelölhet meg (1. területhasznosítás, bevételszerzés)! Page

24 A KUTATÁSTÓL A PIACIG Új technológia / eljárás/ módszer Laboratóriumi és félüzemi kísérletek Rendeleteknek, előírásoknak való megfelelés Felhasználók igényei Kibocsátás vagy szennyezett terület kockázatának jellemzése 4 Információ továbbadása 9 Jelentés a sikeres megoldásról, verifikálás 8 Demonstráció Döntéshozatal: technológia választás 7 Finanszírozás 56 5 Piacra kerülés Page 24 Anyagmérleg, környezeti kockázatok, gazdasági elemzés, SWOT analízis

25 TRANSZFORMÁTOR OLAJJAL SZENNYEZETT TALAJ CIKLODEXTRINNEL INTENZIFIKÁLT BIOREMEDIÁCIÓJA Esettanulmány Page 25

26 SZABADFÖLDI DEMONSTRÁCIÓ HELYSZÍNE Népligeti transzformátor állomás. A szennyezőanyag: TO40A transzformátorolaj; a talajban mg/kg, a talajvízben átlagosan 0,99 mg/l. B szennyezettségi határérték alifás szénhidrogénekre talajra: 100 mg/kg, talajvízre: 100 µg/l 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet Rendszerellenőrző állomás Levegő- és vízbevezető kút Transzformátor Page Kombinált kút Levegőelszívó

27 Bioremediáció intenzifikálása - technológiafejlesztés A bioremediáció (biodegradáció) gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége. A hozzáférhetőség növelésének egyik módja: ciklodextrinek alkalmazása. ciklodextrinek egyedülálló szerkezet zárványkomplex-képzés + Page 27 Zárványkomplex Gazdamolekula Vendégmolekula A zárványkomplex-képzés sematikus szemléltetése: a ciklodextrin hidrofób üregében elhelyezkedő vízmolekulákat kiszorítja a hidrofób vendégmolekula Ciklodextrinek felhasználása talajkezelésben: talajmosási technikákban extrakciós eljárásokban Ciklodextrinek: hat, hét vagy nyolc alfa- D-glükopiranóz-egységből 234 álló ciklikus, nem redukáló oligoszacharidok. O CH 3 O HO O HO O CH 3 O H 3 C O O OH O O CH 3 O O HO CH 3 CH3 OH O O O CH O 3 O O O C O CH 3 O HO H O O 3 C H3C H 3 H 3 C OH O O O O H 3 C O OH 3 C

28 Fokozatos léptéknövelés Page

29 RAMEB hatása a transzformátorolaj biodegradációjára különböző textúrájú talajokban A transzformátorolaj-eltávolítás (FT-IR) a RAMEB koncentráció függvényében Minden esetben nőtt a szennyezőanyag biodegradációjának mértéke a RAMEB (véletlenszerűen metilezett béta-ciklodextrin) hatására függetlenül a talajtól. Az eltávolított szennyezőanyag-tartalom és az eltávolítás (bontás) sebessége szignifikánsan függ a RAMEB koncentrációjától, és hogy az eltávolítás sebessége talajonként különböző. Page 29

30 SZABADFÖLDI DEMONSTRÁCIÓ TECHNOLÓGIA A szennyezett környezeti elemek kezelésére technológia-együttes: A telítetlen zóna in situ kezelése bioventillációval A talajvíz ex situ fizikai-kémiai kezelése A telítetlen zóna nedvesítése és enyhe in situ mosása a felszínen kezelt vízzel A remediáció intenzitásának növelése: Levegőztetés Tápanyagpótlás: N, P adagolása Adalékanyag: RAMEB (biológiai hozzáférhetőség-javító hatás a három fázisú talajban, és szolubilizáló képesség a talaj-talajvíz kölcsönhatás befolyásolására) Page

31 CDT- komplex bioremediáció ciklodextrin alkalmazásával Levegő Tápanyagok és RAMEB Szivattyú Kezelt víz Levegő Víz Fázis szétválasztás Homok szűrő Aktív szén bevezetés Passzív kutak Aktív kutak Page

32 CO2 [%] In situ komplex ciklodextrines biotechnológia (CDT) transzformátorállomás szennyezett talajának kezelésére O2 [%] EPH [mg/l] A talajvíz EPH (extrahálható szénhidrogén) tartalma téliesítés előtt Page ,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, adagolás Mozgékony talajfázisok analízisének eredményei CO2 [%] O2 [%] 2. adagolás 3. adagolás Idő [nap] 21, , , , , , A széndioxid- és oxigéntartalom a talajból kiszívott levegőben a téliesítés előtt 1. adagolás 2. adagolás 3. adagolás Idő [nap]

33 Page 33 In situ komplex ciklodextrines biotechnológia (CDT) transzformátorállomás szennyezett talajának kezelésére A talajminták transzformátorolaj-tartalma a kezelés indításakor, a 24. és a 47. héten Talajmintavétel Transzformátorolaj-tartalom [mg/kg] helye a felszíntől Indítás (kísérlet kezdete) 24. hét 47. hét (kísérlet vége) cm cm A szennyezett talaj toxicitása és jellemzése a kísérlet kezdetén és végén Mintavétel helye a felszíntől Tesztorganizmusok és végpontok cm cm Vizsgálat a kísérlet előtt és után Előtte Utána Előtte Utána Vibrio fischeri biolumineszcencia-gátlás ED 50 [mg] Cu 20 [mg Cu/kg talaj] Jellemzés Sinapis alba gyökérnövekedés-gátlás ED 50 [g] Jellemzés Folsomia candida mortalitás LD 50 [g] Jellemzés toxikus 4 toxikus 12 toxikus 50 <80 nem toxikus >5 nem toxikus >20 nem toxikus nagyon toxikus 2 toxikus 5 toxikus 65 <80 nem toxikus >5 nem toxikus >20 nem toxikus

34 IRODALOM KÖRINFO honlap: Talaj és felszín alatti víz környezeti kockázatának csökkentése Gruiz Katalin: Reaktorszemlélet Page 34

35 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!