Bioremediation Flashcards
Welche Typen von Kontamination gibt es (Boden und Unterboden)
- organic contaminants
- inorganic contaminants
Was sind Beispiele für organic contaminants?
o Polyaromatic hydrocarbon (PAH)
o Chlorinated hydrocarbon (CHC):
polychlorinated biphenyl (PCB), perchloroethylene (PCE), trichloroethylene (TCE), chloroform
o Phenolic compounds
o Herbicides
o Nitroaromatic explosives and plasticizers
o BTEX: benzene, toluene, ethylbenzene
and xylene
Was sind Beispiele für inorganic contaminants?
o Ammonia
o Nitrate
o Heavy metals:
* Lead
* Arsenic
* Cadmium
* Radium
* Mercury
* Uranium
Was ist am einfachsten zu bio-degradieren und was am schwersten von den organischen Kontaminationen?
- Einfache Kohlenwasserstoffe und Erdölkraftstoffe die Abbaubarkeit nimmt mit zunehmendem Molekulargewicht und Verzweigungsgrad ab
-
Aromatische Kohlenwasserstoffe
Verbindungen mit einem oder zwei Ringen sind leicht abbaubar, Verbindungen mit höherem Molekulargewicht weniger - Alkohole, Ester
- Nitrobenzole und Ether werden langsam abgebaut
-
Chlorierte Kohlenwasserstoffe
abnehmende Abbaubarkeit mit zunehmender Chlorsubstitution - hochchlorierte Verbindungen wie PCBs und chlorierte Lösungsmittel werden aerob nicht nennenswert abgebaut - Pestizide sind nicht leicht abbaubar
Was sind Quellen von Kontaminationen?
▪ Industrielle Verschüttungen und Leckagen
▪ Lagertanks und Pumpen
▪ Mülldeponien
▪ Gräberfelder und Deponien
▪ Landwirtschaftliche Abwässer
▪ Militärische Aktivitäten
▪ Bergbau
eng.
▪ Industrial spills and leaks
▪ Storage tanks and pumps
▪ Landfills
▪ Burial areas and dumps
▪ Agricultural runoffs
▪ Military activity
▪ Mining
Was ist ein berühmtes Beispiel einer Kontamination?
Exxon Valdez spill
- in Alaska 1989
- 41.6 Millionen Liter heavy oil gelangten ins Wasser
Was ist Bioremediation?
Verfahren, bei dem Mikroorganismen, Grünpflanzen oder deren Enzyme eingesetzt werden, um gefährliche Schadstoffe in ungiftige Substanzen umzuwandeln und sie aus der Umwelt zu entfernen.
Was sind die 3 Methoden, die bei dem Prozess der Bioremediation von MOs genutzt werden?
- Biodegradation
- Mineralization
- Biotransformation
Was sind Vorteile von Bioremediation?
✓ Kostengünstig (benötigt weniger Ressourcen und weniger Energie im Vergleich zu physikalischen/chemischen Sanierungen)
✓ Umweltfreundlich
✓ Geringer Wartungsaufwand
✓ Weniger/keine Ansammlung von gefährlichen Nebenprodukten
Was sind Nachteile der Bioremediation?
× Zeitaufwendig
× Beschränkung auf biotransformierbare Schadstoffe
× schwer auf einen groß angelegten Feldeinsatz zu übertragen (Gemisch aus komplexen Schadstoffen)
Welche Kondition muss für die Biodegradierung gegeben sein und wodurch ist die Biodegradierungsrate kontrolliert?
- Kondition: Schadstoffe müssen bioverfügbar sein
- Die Geschwindigkeit und das Ausmaß des biologischen Abbaus werden durch einen “begrenzenden Faktor” (z. B. Nährstoffmangel oder Sauerstoffmangel)
Wie nutzen MOs Schadstoffe?
Verunreinigungen können als solche dienen:
- Primäres Substrat: ausreichend vorhanden, um die einzige Energiequelle zu sein
- Sekundäres Substrat: liefern Energie, sind aber nicht in hoher Konzentration verfügbar
- Co-Metaboles Substrat: der Abbau eines Schadstoffs durch ein Enzym oder einen Cofaktor, der während des mikrobiellen Stoffwechsels eines primären Substrats entstehen
REMINDER: Was sind Elektronenakzeptoren?
- aeroben Oxidation: ist der Akzeptor Sauerstoff
- anaeroben Prozessen: ist der Akzeptor (mit abnehmender Effizienz): Nitrat, Mangan, Eisen und Sulfat
Biodegradierung: Aerobic vs. Anaerobic
- Wenn Sauerstoff der terminale Elektronenakzeptor ist, wird der Prozess als aerober biologischer Abbau bezeichnet.
- Alle anderen biologischen Abbauprozesse werden als anaerober biologischer Abbau eingestuft.
- In den meisten Fällen können die Bakterien nur einen terminalen Elektronenakzeptor verwenden.
- Fakultativ aerobe Bakterien nutzen Sauerstoff, können aber in Abwesenheit von Sauerstoff auf Nitrat umschalten.
Welche Metabolismen von Bakterien sind aerob?
- Oxidation
- Co-Metabolismus
Welche Metabolismen in Bakterien sind anaerob?
Denitrification
Manganese reduction
Iron reduction
Sulfate reduction
Methanogenesis
Was degradieren aerobe Bakterien und was sind Beispiele für MOs?
Abbau von Pestiziden, Alkanen und PAHs
Pseudomonas, Bacillus
Was degradieren anaerobe Bakterien und was sind Beispiele für MOs?
Abbau von PCBs, Trichlorethylen und Chloroform
Geobacter, Desulfovibrio
Was degradieren Pilze? (Mycoremediation)
lange Moleküle
z.B. Aspergillus niger, White/brown rot fungus
Hydrocarbon contaminants degradation pathways
Folie 18
Wie sieht die Bioremediation von Schwermetallen aus?
Metalle müssen entweder in eine stabile Form umgewandelt oder entfernt werden, denn im Gegensatz zu organischen Verunreinigungen können sie nicht biologisch abgebaut werden
Was sind Methoden für die Bioremediation von Schwermetallen?
- Biosorption, die Sorption von Metall an der Oberfläche einer Zelle durch physikochemische Mittel
- Biolaugung, die Mobilisierung von Schwermetallen durch die Eliminierung von organischen Säuren oder Methylierungsreaktionen
- Biomineralisierung, die Immobilisierung von Schwermetallen durch die Bildung von unlöslichen Sulfiden oder Polymerkomplexen
- Biotransformation (Oxidation, Reduktion)
- Bioakkumulation
Wann wurde Bioremediation zum ersten Mal genutzt?
1972 beim Sun Oil pipeline spill in Pennsylvania
In welche 2 Teile werden Bioremediation Strategien aufgeteilt?
- In-situ Bioremediation
- Ex-situ Bioremediation
In welche 2 Teile werden In-situ Bioremediation Strategien aufgeteilt?
- Intrinsische Bioremediation
- Engineered Bioremediation
In welche 2 Teile werden Ex-situ Bioremediation Strategien aufgeteilt?
- slurry phase Bioremediation
- solid phase Bioremediation
Was sind Beispiele für Engineered Bioremediation? (in-situ)
Biosparging
Bioventing
Bioslurping
Biostimulation
Bioaugmentation
Was ist ein Beispiel für die Slurry phase Bioremediation?
Bioreaktor
Was sind Beispiele für die Solid phase Bioremediation?
Biopiling
Land farming
Composting
Biofilter
Was ist Bioventing?
- Liefert Sauerstoff (und, falls erforderlich,
Nährstoffe) unter Druck in die ungesättigten Zone über Luftinjektions- oder Entnahmebohrungen - Sauerstoff stimuliert die einheimischen
Mikroben - Ein Gebläse oder Kompressor wird an den Luftversorgungsbrunnen angeschlossen
- Förderung des aeroben Abbaus
Was ist Biosparging?
- Injektion von Luft/Nährstoffen zur Verbesserung die biologische Rolle der einheimischen Mikroben im Kulturwasser
- Geeignet für Benzol, Toluol, flüchtige organische Verbindungen, chloriertes Ethan, PAK, Vinyl Chlorid
- Erweitert die Sanierung auf die gesättigte Zone der Bodenmatrix
- Niedrige Luftinjektionsrate ist ausreichend
Was ist Biostimulation?
- Zugabe von anorganischen Nährstoffen zu den kontaminierten Flächen (Phosphor, Stickstoff, Schwefel) oder organischen Stoffen (Säure, Alkohole)
- Verbesserung der Effizienz der einheimischen Mikroben beim biologischen Abbau
- Erforderliche Abbauaktivitäten der einheimischen Gemeinschaft
- Umweltfaktoren begrenzen das Ausmaß der Sanierung
- Umweltmanipulationen unterscheiden sich je nach Art der Verbindung und der Umwelt
Was sind Beispiele für die Biostimulation?
o Hydrocarbons (oil, fuels) - aerobic - growth - use as C source/e-donor
o TCE - aerobic - cometabolic
o PCE/TCE - anaerobic - growth/cometabolic
Was ist Bioaugmentation
- Zugabe von exogenen Mikroben zur Verbesserung des Abbauprozesses
- Verbesserung der Effizienz und der Geschwindigkeit des Prozesses
- Hauptsächlich für die Behandlung stark kontaminierter Standorte verwendet
- Identifizierung der vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaften, der Schadstoffe und ihrer
Konzentration ist notwendig - Motivation: Die Aktivität ist nicht vorhanden bzw. wird durch Biostimulanzien allein nicht wirksam erreicht
Was ist Composting?
- Durchgeführt unter Verwendung von Füllstoffen (Stroh, Dung, landwirtschaftliche Abfälle, Holzabfälle)
- Das beste Ergebnis ist nach etwa 20 Tagen zu sehen.
- Temperaturbereich bei 45°C - 65°C
- Normalerweise werden einheimische Mikroorganismen verwendet
- Maximale Abbauleistung wird durch Aufrechterhaltung der Sauerstoffzufuhr erreicht (z.B. tägliches Wenden der Schwaden), Bewässerung nach Bedarf, und die genaue Überwachung von Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur
Was ist Land farming?
- Der kontaminierte Boden wird ausgehoben und auf einer Unterlage ausgebreitet; das Sickerwasser wird aufgefangen.
- Regelmäßig gemischt, um die Belüftung zu verbessern
- Abbau durch die einheimische Mikrobe
- Führt mehr Verflüchtigung als Abbau durch (leichtere Kohlenwasserstoffe verflüchtigen sich leicht)
Was ist Biopiling?
Combination of land farming and composting
Was sind Faktoren, die die (soil) Bioremediation affekten können?
Mikrobiell: Growth, Survival, Molekular nature
Prozess: Aerob vs Anaerob
Schadstoffe: Toxizität, Stabilität, chem. Struktur
Umwelt: pH, Nature of Soil, Verfügbarkeit Nährstoffe
Mass transfer limitations
Bioavailability of contaminant
Co-Metabolismus
Welche Faktoren beachtet man bei der Wahl einer Methode?
- Nature of pollutant
- Concentration of pollutant
- Type of environment
- Geographical location
- Cost of remediation technique
- Depth of contaminant
- Environmental policies
Was sind recent approaches?
- Genetically engineered microorganisms
o Enzyme-tailoring and DNA-shuffling
o Construction of bacteria with multiple pathways - Addition of oxygen releasing compounds
- Combining chemo/physical remediation with bioremediation
- Biosurfactant applications to increase bioavailability
- Use of nanoparticles in soil–water bioremediation processes
