Lexikon

az aerob biodegradáció a talajban vagy a vízben mikroorganizmusok által katalizált oxidációs folyamat, melynek során a sejtek a szennyezőanyagot energiatermelés céljára szubsztrátként hasznosítják a légköri oxigén felhasználásával. Eközben a szerves vegyületekből szervetlen végtermékeket állítanak elő, így a szerves szénből széndioxidot, a szerves nitrogénből nitrátot, a szerves kénből szervetlen kénformákat. Ezt a folyamatot mineralizációnak is nevezzük. A mineralizáció sok biodegradáción alapuló remediációs technológia alapja. Ez a leggyorsabb és legintenzívebb biológiai bontási folyamat, melyet állandó oxigénellátással lehet maximumon tartani. Ha az oxigén nem áll korlátlan mennyiségben rendelkezésre, akkor a folyamatok katalízisét az aerob mikroorganizmusoktól átveszik a fakultatív anaerob mikroorganizmusok és erjedési folyamatok lépnek fel; a szerves anyagok oxidációja nem tökéletes pl. a széndioxid helyett alkoholok vagy aldehidek, nitrát helyett egyszerűbb szerves nitrogénvegyületek vagy ammónia keletkeznek. Ha a szennyezőanyag az aerob biodegradációhoz csak szénforrásul szolgál pl. szénhidrogének és a talaj vagy a víz nem tartalmaz elegendő biogén elemet a mikroorganizmusok szaporodásához, akkor a folyamatot N- és P-forrás vagy mikroelemek biztosításával lehet gyorsítani.

klórozott szénhidrogénekkel és POP-okkal szennyezett talaj in situ vagy ex situ kezelésére bevált technológia, melyben aerob és anaerob szakaszok váltják egymást. Az aerob szakaszokban szántással, talajforgatással levegőztetik a talajt, az anaerob szakaszokban szerves anyagot, tápanyag-kiegészítést és ZVI-t fémvasat kevernek a talajhoz, majd alaposan nedvesítik. A nagymennyiségű szervesanyag mikrobiológiai bontása során elfogy az oxigén, így anoxikus körülmények, vagyis alacsony redoxpotenciál áll elő a talajban, mely kedvez a reduktív dehalogénezésnek. A dehalogénezett termékek bontása a következő aerob ciklusban történik meg. A ciklikus biotechnológia optimálására célszerűen összeállított adalékanyagot, pl. DARAMEND^R és részletes technológiamonitoringot alkalmaznak, mely lehetővé teszi az optimális ciklusidő beállítását. Az USA-ban népszerű technológiával 5-8 hónap alatt sikerült megfelelő mértékűre csökkenteni a 200 ppm toxafén és 100 ppm DDT tartalmú talajt.

a biodegradációs folyamatokat a talajban vagy a vízben a mikroorganizmusok katalizálják. A szennyezőanyag az energiatermelő folyamatukhoz szükséges redukált szubsztrát, melynek bontásával, oxidációjával energiát nyernek. A folyamathoz szükséges oxigént, mely hidrogénakceptorként szerepel az energiatermelő oxidációs légzési folyamatban nem csak légköri oxigén lehet, hanem nitrát vagy szulfát is. A mikroorganizmusok nitrátlégzése +0,4 Volt redoxpotenciál körül lép be, a szulfátlégzés pedig + 0,2 Volt érték körül. Ha a technológiánk központi folyamata nitrátlégzésen vagy szulfátlégzésen alapuló biodegradációs folyamat, akkor ezeknek a légzésformáknak kedvező redoxpotenciált a technológusnak kell biztosítania NO₃ vagy SO₄ adagolással, esetleg vas 0 és vas II szint beállítással. Ha nem pótoljuk az hidrogén-akceptort, akkor az idővel elfogy, és a redoxpotenciál egyre kisebb érték lesz, végül negatív értéket vesz fel. Negatív redoxpotenciálon az obligát anaerob mikroorganizmus működnek, a szubsztrát oxidációját karbonátlégzésük segítségével oldják meg acetogenézis a termék acetát vagy metanogenézis a termék metán során. Ha a biodegradáción alapuló biotechnológia karbonátlégzésen alapul, akkor a negatív redoxpotenciált mindvégig biztosítanunk kell a talajban vagy a talajvízben. Ez pl. nitrát- vagy szulfátlégzés segítségével könnyen oxidálható szubsztrátfelesleg állandó koncentráció biztosításával érhető el. Ilyenkor a könnyen bontható szubsztrát oxidációjához elhasználódik a rendszerbe pl. áramló talajvízzel bekerülő nitrát vagy szulfát.

szerves vegyületek, szerves szennyezőanyagok komplexitásának csökkentése vagy teljes lebontása, mineralizációja, biológiai hatásra. Az élőlények közvetlenül vagy közvetett módon fejtik ki biodegradáló hatásukat. Közvetlen biológiai bontás során a biodegradálható szerves szennyezőanyag szubsztrátként szolgál az élőlény számára, ilyenkor az élőlények enzimjeik segítségével leggyakrabban energiát termelnek katabolizmus a bontható vegyületből vagy kometabolizmus során bontják le azokat. Környezetünk élő szervezetei a biodegradálandó szubsztrátok nagy részét, főként a nagyobb méretű molekulákat a környezetbe kibocsátott exoenzimjeik segítségével bontják. A sejtből kibocsátott vagy a sejt pusztulásával a környezetbe kerülő enzimek hosszabb-rövidebb ideig működőképesek maradnak az élőlények jelenléte nélkül is és katalizálják a biodegradációs folyamatokat. A természetes ~t környezetvédelmi biotechnológiákban hasznosítjuk, mind élőlények közösségeinek alkalmazásával szennyvíztisztítás, komposztálás, talajremediáció, stb., mind pedig enzimtechnológiákban.

olyan biotechnológia, melyben a központi biokémiai folyamat a szerves anyagok biológiai, leggyakrabban mikrobiológiai bontása. Ez a bontás jelenthet energiatermeléssel egybekötött mineralizációt, vagy részleges bontást, esetleg kometabolizmust. Leggyakrabban hulladékok és szennyezőanyagok kezelésére, hasznosítására vagy ártalmatlanítására használt technológiák, például biológiai szennyvízkezelés, talajbioremediáció, komposztálás, stb.

a talaj- és talajvíz bioremediáció leggyakoribb alapfolyamata a biodegradáció. Ilyenkor a szennyezőanyag a talaj/talajvíz mikroflórájának szükséges tápanyagot szolgáltatja, amelyet a mikroorganizmusok energiatermelés céljára használnak, emiatt bontják, vagyis hidrolizálják, oxidálják, stb., mígnem teljesen eloxidálják szervetlen anyagokká. Ez a tökélete biodegradáció esete, ezzel a szennyezőanyag teljes mennyiségét eltávolíthatjuk a talajból/talajvízből. Ha ez a folyamata a technológiánk alapja, akkor e biodegradációt végző mikroflóra számára kell optimális körülményeket biztosítania a technológusnak, talajszelőztetéssel levegőztetéssel, vagy más oxigénforrás biztosításával, megfelelő körülmények hőmérséklet, nedvességtartalom redoxpotenciál, ozmotikus viszonyok, stb., kiegyensúlyozott tápanyag és mikroelem-ellátás biztosításával, és a termék felhalmozódás elleni beavatkozással pl. CO₂ kihajtás talajszellőztetéssel

a természetes biodegradációs folyamatok hatékonyságának, sebességének növelése technológiai beavatkozással, optimális technológiai paraméterek alkalmazásával, például a biodegradációt végző mikroorganizmus-közösség cell factory működéséhez legmegfelelőbb levegőztetés, tápanyagellátás, hőmérséklet, pH, redox- és ozmózisviszonyok, stb. biztosítása.

a szerves szennyezőanyagok biodegradációja a talajban, a talajban élő közösség működésének eredménye. Állatok, növények vagy mikroorganizmusok szoros együttműködése szükséges a szennyezőanyag-molekulák biológiai lebontásához. Ebben a komplex folyamatban vezető szerepük van a talaj-mikroorganiz;musok;nak. A biodegradálható szerves szennyezőanyagok mikrobiológiai folyamatai:
1. A vegyi anyag általános degradálódó képessége szerkezetétől, összetételétől, illetve biológiai hozzáférhetőségétől függ.
2. A talajban folyó biodegradáció mindig helyszín-specifikus, a jelenlévő mikrobaközösség minősége nagyban befolyásolja. Az adott szennyezőanyag biológiailag akkor bontható, ha a talajbiotában az evolúció során már kialakult a bontására képes enzimapparátus. Egyes szennyezőanyagok bontásához gyakran nem szükségesek különleges enzimek, mások viszont speciális enzimrendszer jelenlétét igénylik. Gyakran a talajban kis arányban előforduló fajok feldúsulása elegendő a szennyezőanyag szubsztrátként való hasznosulásához, más esetekben specifikus gén, vagy génkombináció szükséges.
3. A szerves vegyületnek fizikailag, kémiailag diszpergáltnak kell lennie vízben azért, hogy a mikroorganizmusok számára hozzáférhetőek legyenek. Ezt, a mikrobák által szintetizált detergens hatású vegyületek, az un. biotenzidek biztosítják.
4. Számos környezeti tényező van hatással a bontás intenzitására, például a hőmérséklet, a tápanyagok, a pH, és a redoxviszonyok.
5. Az oxigén mennyisége és forrása (levegő, NO₃, SO₄, CO₂, stb.) meghatározza a talajban lehetséges légzésformákat. A telítetlen talajban a talajlevegő szolgáltatja a légzéshez szüksége oxigént, a vízzel telített talajban a nitrátlégzés, a szulfátlégzés vagy a karbonátlégzés dominál. A vas is szolgálhat elektronakceptorként.
6. A szénhidrogének degradációja az oxidáción alapul, oxigén bevitele a molekulába az első lépés, melyet az oxigenáz enzimek végeznek aerob körülmények között. A mikroorganizmusok oxigénhez férését meghatározza a talaj típusa, a talajvízzel való telítettsége, és egyéb szubsztrátok jelenléte.
7. szénhidrogének hatására, azok bontása közben a gyorsan aktivizálódó mikroorganizmusok viszonylag rövid idő alatt felélik a mozgósítható foszfor- és nitrogén tápelemkészletet, s ezzel összefüggésben a degradáció mértéke is csökken. A limitáló hatás elkerülése érdekében ammónium-, foszfátsókat, karbamid-foszfátot, N-P-K műtrágyát adagolhatunk a szennyezett talajhoz.
8. A hőmérséklet befolyással van a szennyező szerves anyag fizikai állapotára, összetételére. talajban folyó biodegradációhoz szükséges hőmérséklet optimuma 20-30°C, de létezik lebontás igen szélsőséges körülmények között is. Alacsony hőmérséklet mellett megnő az olajszerű anyagok viszkozitása, vízoldhatósága és csökken az illékony frakciók párolgása. A hőmérséklet emelkedésével nemcsak a szennyezőanyag mobilitása növekszik meg, de a mikroorganizmusok aktivitása is nőhet.
9. A szerves szennyezőanyagok természetes koncentráció-csökkenése során szabad vagy oldott oxigénből 3-4 mg szükséges 1 mg telített szénhidrogén teljes oxidációjához, vagyis a teljes mennyiség CO₂-dá és vízzé alakításához.

a természetes mikroflóra működésének optimálása, aktivitásának növelése enyhe beavatkozásokkal is lehetséges, így oldott oxigént, különféle tápanyagokat, igény szerint a biológiai aktivitást és a szennyezőanyag mobilitását, biológiai hozzáférhetőségét növelő adalékokat juttathatnak a talajba.
sok remediációs technológia szerepel a szakirodalomban és a gyakorlatban, amely in situ vagy ex situ módon igyekszik intenzifikálni a biodegradációt a talajban. A talaj saját biodegradációján alapuló technológiáknak helyszín-specifikusak;nak kell lenniük, vagyis figyelembe venniük a helyi adottságokat, a szennyezőanyag, a talajmátrix és a már adaptálódott mikroflóra jellemzőit és kölcsönhatásait.
A helyspecifikusság nemcsak azt jelenti, hogy a biotechnológia paramétereit kell helyszín-specifikussá tenni, hanem a műveleteket is, amelyek ezeket a paramétereket biztosítják. Emiatt ritkán lehet két technológia teljesen azonos és a tervezett technológia alkalmasságát kísérletesen is bizonyítani kell. A technológia-tervezés alapparamétereit célszerűen laboratóriumi vagy félüzemi technológiai kísérletek szolgáltatják.
A leggyakrabban alkalmazott intenzifikáló beavatkozások a következők: oxigénellátás, tápanyagellátás, hozzáférhetőséget növelő adalék, egyéb stimuláló adalék, mikrobiális oltóanyag.
Az oxigénigény kielégítése történhet légköri levegő bevezetésével, illetve elszívásával (bioventilláció), vagy oxigént szolgáltató oldott anyagok talajba vagy talajvízbe juttatásával (peroxid oldat, oxigént szolgáltató immobilis peroxidvegyületek, pl. Mg-peroxid, nitrát vagy szulfát az alternatív légzésformák kiszolgálására a talaj anaerob telített zónájában, stb.).
A tápanyagok és adalékanyagok bejuttatása általában oldott formában történik, mélyebb rétegekbe injektálással, injektáló kutak vagy szondák segítségével, vékony talajrétegbe talajra locsolással, beszivárogtatással.
Nagy befolyás gyakorolható a talajban működő biodegradációra a talaj szervesanyag-tartalmának kontrollálásával. A talajba kevert holt szerves anyag (hulladékok) hatására megindul a holt szerves anyag bontását végző közösség aktiválódása, ezzel olyan anyagcsereutak lépnek működésbe, melyek a szennyezőanyagok bontására is képesek. A szerves anyagok mineralizációján kívül a körülményektől függően humuszképződés is lejátszódik, mely egyes, nehezen bontható szennyezőanyagoknak a humuszba épülését is eredményezheti.
A talaj hőmérsékletének kismértékű (mikrobák számára optimális és a deszorpciót is növelő) emelése ugyancsak növeli a biodegradáció hatékonyságát. A nehezen biodegradálható anyagok kémiai reakcióit, pl. polimerizáció, oxidáció szintén megnöveli, tehát a humuszba épülést és a stabilizációt is elősegítheti abban a stádiumban, amikor már biológiailag bontható szubsztrát (szennyezőanyag) kevés van vagy nincs a talajban.