Dlaczego bioremediacja
advertisement
Dlaczegobioremediacja mikrobiologiczna? Kompleksowabioremediacjamikrobiologicznaw porównaniuzklasycznymimetodamirekultywacji jeziornajczęściejstosowanymiwPolsce Prof.drhab.RyszardJ.Chróst BioremEkoserwis:BioremediacjaiMonitoringZbiornikówWodnych Skutki eutrofizacji wód § Wysokie stężenia N i P w wodzie (w szczególności P mineralnego wiosną i P organicznego w okresie letnim) § Kumulacja biogenów w osadach dennych (głównie P i materii organicznej) Ø „internal loading” kolumny wody biogenami z osadów dennych § Masowe zakwity fitoplanktonu: Ø dominacja cyjanobakterii (sinic) Ø wytwarzanie cyjanotoksyn Skutkieutrofizacjiwód Zakwittoksycznychsinic:Planktothrixagardhii, Aphanizomenon gracile, Aphanizomenon flosaque,Anabaenaplanctonica,Microcys>saeruginosawJeziorzeSuskim(5.08.2014r.) Skutki eutrofizacji wód § Nadprodukcja materii organicznej w ekosystemie: Ø wzrost stężenia rozpuszczonych w wodzie substancji organicznych Ø podwyższenie ilości zawiesiny organicznej w wodzie Ø wzrost zawartości materii organicznej w osadach ➟ wzrost miąższości osadów dennych ➟ wypłycanie zbiornika Ø Spadek przezroczystości wody • pogorszenie warunków fotosyntetycznego natleniania wody Skutki eutrofizacji wód § Deficyty tlenowe w wodzie i osadach dennych Ø spadek odczynu pH oraz redox środowiska Ø przewaga mikrobiologicznych procesów anaerobowych Ø zahamowanie mineralizacji materii organicznej Ø wzrost ilości toksycznego siarkowodoru § Niekorzystne zmiany w biocenozie: Ø spadek bioróżnorodności gatunkowej Ø zmniejszenie bioróżnorodności funkcjonalnej Ø zakłócona równowaga ekologiczna homeostazy Skutki eutrofizacji wód Znaczneograniczenieprzydatnościzbiornikawodnego docelów: Ø gospodarczych(rybołówstwo,aquakultury,przemysłprzetwórczy,źródławody pitnej,rolnictwo,itp.) Ø rekreacyjnych(wędkarstwo) Ø sportowych(pływactwo,kajakarstwo,żeglarstwo,surfing) Ø turystycznych(agroturystyka) Spadekdochodówmieszkańców! Metody rekultywacji jezior Nadrzędnymcelemstosowanychmetodrekultywacji zbiornikówwodnychjestpoprawajakościekologicznejwódi osadówdennychorazpodwyższenielubprzywrócenie utraconychwalorówgospodarczych,sportowo-turystycznychi rekreacyjnych. Metody rekultywacji jezior Wszystkiestosowanemetodyrekultywacjizbiornikówwodnychpolegajągłównie naograniczeniuprzyczyniskutkówhypereutrofizacjizbiornikówwodnych poprzez: Ø ograniczeniudopływuzanieczyszczeńzewnętrznychdozbiornika(biogenów,w szczególnościPiN,materiiorganicznej) Ø przeciwdziałaniuwzrostunadmiernejbiomasyfitoplanktonu(ograniczenie produkcjipierwotnejnaskutekograniczeniabiodostępnościbiogenów(w szczególnościfosforu)wwodzieiosadachdennych) Ø usunięciuześrodowiskaniekorzystnychcechiskutkóweutrofizacjiwódi osadówdennych Metody rekultywacji jezior • Selektywne usuwanie wód hypolimnionu • Sztuczne napowietrzanie jezior • Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) • Inaktywacja fosforu • Metody biologiczne Ø bioremediacja mikrobiologiczna Ø biomanipulacja ichtiofauną Ø biofiltracja Ø fitoremediacja Najczęściej stosowanewPolsce Sztuczne napowietrzanie jezior Głównewadymetody § Metoda bardzo energochłonna przez co bardzo kosztowna § Efektywność napowietrzania i poprawa jakości ekologicznej zbiornika (wzrost jakości wody, poprawa bioróżnorodności, itp.) jest procesem bardzo długim, wieloletnim § Zaprzestanie napowietrzania powoduje bardzo szybkie pogorszenie jakości ekologicznej zbiornika do stanu pierwotnego Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) Głównewadymetody § Metoda bardzo droga § Konieczność składowania osadów i ich kompostowania (kosztowne, niebezpieczne dla środowiska) § Katastrofa ekologiczna dla zbiornika Ø Wraz z osadami usuwa się mikro- i makroorganizmy bentosowe Ø Duża mętność wody ➟ brak fotosyntezy glonów ➟ brak tlenu Ø Przyducha i masowe śnięcie ryb § Nieprzewidywalne skutki bagrowania dla funkcjonowania zbiornika i jakości jego wód Ø Klarowanie wody trwa wiele miesięcy, w tym okresie jezioro nie spełnia żadnych funkcji gospodarczych i rekreacyjnych Ø Ustabilizowanie się jeziora jest okresem bardzo długim, kilkuletnim Inaktywacja fosforu Polega na ograniczeniu biodostępności fosforu mineralnego poprzez jego wytrącenie z wody i/lub wody interstycjalnej osadów dennych przez chemiczne koagulanty. W zależności od zastosowanego koagulantu wytrącony na powierzchnię osadów dennych fosfor mineralny jest krócej lub dłużej immobilizowany i niedostępny biologicznie. Metoda wyłącznie pomocna w kontroli biomasy fitoplanktonu w zbiornikach limitowanych fosforowo. Często stosowana w Polsce z małą efektywnością ! Zabiegi rekultywacyjne krótkotrwałe (3-4 lata!) Inaktywacja fosforu W Polsce najczęściej stosowane są koagulanty oparte na wiązaniu fosforu mineralnego przez związki żelaza (PIX) lub związki aluminium (PAX). Wytrącone z wody i osadzone na powierzchni dna kompleksy fosforu z żelazem lub aluminium są nierozpuszczalne i stabilne wyłącznie w środowisku dobrze natlenionym, stają się rozpuszczalne w odtlenionych środowiskach i ponownie uwalniają fosfor do wody i osadów dennych powodując użyźnienie środowiska i wzrost produkcji biomasy fitoplanktonu (krótkotrwały efekt rekultywacji) Związki aluminium zawarte w PAX powodują skażenie toksyczne środowiska. Aluminium jest szkodliwe dla wielu organizmów wodnych (bakterie, ryby), a także dla użytkowników wody jeziornej (człowiek, zwierzęta gospodarcze, itp.) Inaktywacja fosforu Najlepszym koagulantem do inaktywacji fosforu jest preparat Phoslock (opatentowany w 1998 r. w Australii, rzadko stosowany w Polsce) oparty na naturalnej glince kaolinicie wzbogaconej w lantan. Połączenie fosforu mineralnego z lantanem jest bardzo trwałe i nie zależy od stopnia natlenienia środowiska. Schemat działania Phoslock w jeziorach Czy inaktywacja fosforu mineralnego jest wystarczająca w rekultywacji jezior? FORMYFOSFORUWEKOSYSTEMACHWODNYCH FOSFORCAŁKOWITY FOSFORMINERALNY FOSFORORGANICZNY Rozpuszczonyw wodzie Wyłącznietapostaćfosforu możliwajestdoinaktywacji Partykularny,zawarty wbiomasieidetritusie Teformyfosforupozostanąwwodzie Czy inaktywacja fosforu mineralnego jest wystarczająca w rekultywacji jezior? FORMYFOSFORUWWODZIEJEZIOR Wyłącznietapostaćfosforu możliwajestdoinaktywacji Teformyfosforupozostanąwwodzie DIP=fosformineralnyortofosforanowy,średni%zawartościwpulifosforucałkowitego P-organic=fosfororganiczny,średni%zawartościwpulifosforucałkowitegowwodzie Przemiany fosforu organicznego Fosfor partykularny Bakterieosiadłe Enzymatycznasolubilizacja Fosfororganiczny rozpuszczonywwodzie Polifosforany Pmineralny ortofosforanowy Inaktywacja fosforu Inaktywacjafosforujakogłównaijedyna metodarekultywacjijestmałoprzydatnaw jeziorach! Ø Koagulantmożeunieczynnićwyłączniepulęfosforu mineralnego. Ø Fosforzawartywzwiązkachorganicznychniezostanie zablokowany!jegomikrobiologicznatransformacjaponownie uwolnidowodyiosadówogromneilościfosforumineralnego stanowiącpożywkędlanadmiernegowzrostubiomasy fitoplanktonu Metody biologiczne Zalety § Oparte na ekologicznych prawach funkcjonowania ekosystemów wodnych § Stosunkowo mało inwazyjne § Wykorzystujące naturalne właściwości i interakcje międzygatunkowe § Dosyć długotrwały efekt końcowy Wady u Wymagają długiego czasu stosowania i kontroli u Wymagają profesjonalnej wiedzy podczas kontrolowania zabiegów Metody biologiczne § Zmiany struktury gatunkowej ryb w piramidzie troficznej zbiornika (biomanipulacja) § Struktury biologiczne o dużej filtracji zawiesiny (np. Dreisena polymorpha), lub dużej powierzchni czynnej porośniętej peryfitonem i biofilmami asymilującymi biogeny z wody § Fitoremediacje § Naturalne algicydowe (antyglonowe) właściwości słomy jęczmiennej – zapory balotowe Metodywspomagającejedynieefektpodstawowejtechnologiirekultywacji zbiornikawodnegoiwydłużającejegookrestrwałości.Zbytmałoefektywnejako samodzielnetechnologierekultywacjiwód. Metody biologiczne Bioremediacja mikrobiologiczna Ø Technologia oparta na wykorzystywaniu naturalnych właściwości degradatywnych specjalnie dobranych zespołów mikroorganizmów o dużym potencjale biochemiczno-metabolicznym do rozkładu i wykorzystywania substancji organicznych Ø Nieinwazyjna i bezpieczna w środowisku Powoduje zarówno degradację zanieczyszczeń w wodzie jak i w osadach dennych Oparta na procesach i interakcjach mikrobiologicznych w ekosystemie Stosowana w zbiornikach wodnych od kilkunastu lat na świecie W Polsce stosowana dopiero od 3-4 lat Ø Ø Ø Ø Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Asymilacjamateriiorganicznej 10-30% BIOMASA bakterii 70-90% ENERGIA Powstaje w drodze biologicznego utleniania (biologicznego „spalania”) związków organicznych Jakdziałająbakteriewjeziorze? CO2 Biogeny mineralne (m.in. PO43-, NH4+) Materia organiczna BIOMASA Losy biomasy w zbiornikach wodnych Konsumpcja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) przez mikroorganizmy pikoplanktonowe (głównie bakterie) inicjuje transfer cząstkowej materii organicznej w obrębie sieci pokarmowych do wyższych poziomów troficznych. Najważniejszym etapem w tym procesie jest biotransformacja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) do cząstkowej (partykularnej) materii organicznej POM wyłącznie przeprowadzana przez bakterie heterotroficzne i wytworzenie ich biomasy. Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Aktywnymetabolizmbakteriiwprocesachasymilacjii mineralizacjimateriiorganicznejdoprowadzado: • produkcjibiomasybakterii,wktórejzwiązanezostałyznaczneilości związkóworganicznychibiogennych(C,N,P,S) • szybkiejkonsumpcjiwytworzonejbiomasyprzezbakteriożercówi organizmyzwierzęcezwyższychpoziomówtroficznych,których końcowymiogniwamisągatunkiokomercyjnymznaczeniuw gospodarceczłowiekazasobamiwodnymi(dużebezkręgowce,ryby, ptaki,ssaki). • eksploatacjagatunkówkomercyjnychdoprowadzadowyniesieniaz ekosystemudużejporcjimateriiorganicznejwpostaciodławianej biomasy • zasadniczaczęść(70-90%)asymilowanejprzezbakteriewodne materiiorganicznejjestmineralizowanawwarunkachtlenowej respiracjidodwutlenkuwęgla(CO2),solimineralnychN,P,S Bioremediacja mikrobiologiczna Naczympolegabioremediacja? CO2 Wysokoaktywne biochemicznie preparaty bakterii O2 Zanieczyszczenia organiczne Stymulują i przyśpieszają naturalne procesy obiegu materii organicznej i mineralnej w środowisku wodnym Biogeny mineralne (m.in. PO43-, NH4+) BIOMASA bakterii Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna - KOBIOMIK (Etapy wstępne) Rozpoznanieiokreśleniezewnętrznychżródeł biogenówizanieczyszczeńdopływającychdo zbiornikawodnego Analizadynamikizmiansezonowychpodstawowych parametrówfizyko-chemicznych,biologicznychi mikrobiologicznychwodyiosadówdennych Kalibracjazbiornikawskalimikrokosmosuwcelu optymalizacjizabiegówkompleksowejbioremediacji mikrobiologicznej Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna LATO WIOSNA - KOBIOMIK (Etap 1) MONITORING chemiczno-biologiczny Inaktywacjafosforu Inokulacjawysokoaktywnych biochemiczniepreparatówbakterii Inaktywacjafosforu JESIEŃ Inokulacjawysokoaktywnych biochemiczniepreparatówbakterii Inaktywacjafosforu Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna JESIEŃ Inaktywacjafosforu Inokulacjawysokoaktywnych biochemiczniepreparatówbakterii Inaktywacjafosforu MONITORING chemiczno-biologiczny LATO WIOSNA - KOBIOMIK (Etap 2) Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna Podstawy biotechnologii KOBIOMIK 1. Wstępnainaktywacjafosforumineralnegowwodziewcelu zahamowanianadmiernegorozwojufitoplanktonuwiosennego, 2. Inokulacjatoniwodnejiosadówdennychwysokoaktywnymi biochemiczniepreparatamibakteriiizolowanychześrodowisk naturalnychdoprowadzadostymulacjimikrobiologicznychprocesów rozkładu,transformacjiimineralizacjizanieczyszczeńorganicznychw jeziorze, 3. Związkifosforuorganicznegozawartewwodzie,osadachdennychoraz wdetritusie(„obumarłabiomasa”)naskutekdefosforylacjiprzez fosfohydrolazymikroorganizmów(główniefosfatazy,nukleotydazy) zostająprzekształconewmineralnyfosforortofosforanowy 4. Uwolnionywprocesachmikrobiologicznychfosformineralnyzostaje trwaleinaktywowanywpostacidługotrwalenierozpuszczalnychw wodziekompleksówrabdofanowychizdeponowanynapowierzchni osadówdennychjeziora Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna Podstawy biotechnologii KOBIOMIK Skutkiemnaprzemiennegozastosowaniaprocesówmikrobiologicznego rozkładuidefosforylacjizanieczyszczeńorganicznych(bioremediacja)oraz inaktywacjifosforumineralnegowwodzieiosadachdennychjezioraw wynikuzastosowaniatechnologiiKOBIOMIKdochodzido: 1. Drastycznegospadkudostępnościbiologicznejzasobówfosforuw ekosystemie; 2. Poprawyjakościparametrówfizycznych,chemicznychibiologicznych wodyiosadówdennych 3. Wzrostuprzezroczystościinatlenieniawody 4. Oczyszczeniajezioraznadmiernejilościzgromadzonychzanieczyszczeń organicznychimineralnych(de-eutrofizacjajeziora) 5. Wzrostuwalorówprzyrodniczych,rekreacyjnychigospodarczychjeziora TechnologiaKOBIOMIKpodlegazastrzeżeniupatentowemu Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? Przykład1.JezioroSuskie Kąpielisko(5.08.2014r.) Kąpielisko,18.08.2014r. Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? JEZIORO KĄPIELISKO Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? JEZIORO KĄPIELISKO Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? TAK!!! Eksperymentalnezastosowaniebioremediacji mikrobiologicznejprzezokres8tygodninawydzielonym kąpieliskuwJeziorzeSuskimpodczassilnegozakwitu sinicowegobyłobardzoskutecznewpoprawiejakości wodyjeziora Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w stawach? Przykład2.StawkolmatacyjnywRadomiu Przedzabiegiembioremediacji, 02.07.2014r. Wtrakciezabiegubioremediacji, 18.08.2014r. Bioremediacja mikrobiologiczna KOBIOMIK Dlaczegostosowaćkompleksowąbioremediacjęmikrobiologiczną? « Naukowe podstawy bioremediacji mikrobiologicznej oparte są na naturalnych procesach samooczyszczania się wód « Jest skuteczna w jeziorach i stawach « Biotechnologia kompleksowej bioremediacji mikrobiologicznej jest bezpieczna dla środowiska i jego użytkowników, nie wprowadza do środowiska naturalnego mikroorganizmów patogennych i genetycznie zmodyfikowanych. Preparaty mikrobiologiczne zawierają bakterie stymulujące i przyspieszające przebieg naturalnych procesów samorzutnie zachodzących w środowiskach wodnych « Kompleksowa bioremediacja mikrobiologiczna zbiorników wodnych nie powoduje niepożądanych skutków ubocznych dla środowiska naturalnego « Wprowadzenie wspomagających technologii podczas kompleksowej bioremediacji mikrobiologicznej wyzwala synergistyczny dodatni efekt końcowy i wydłuża trwałość skutków rekultywacji jeziora (polepszenie jakości ekologicznej wód, wzrost atrakcyjności turystycznej i użytkowej, itp.) Gdzie stosować bioremediację mikrobiologiczną KOBIOMIK « Płytkie jeziora i zbiorniki wodne « Płytkie zatoki dużych jezior « Stawy rybackie i hodowlane « Stawy miejskie i rekreacyjne « Laguny w oczyszczalniach ścieków « Starorzecza o niewielkim przepływie wód Dlaczego stosować bioremediację mikrobiologiczną KOBIOMIK Zastosowanie bioremediacji mikrobiologicznej jest polecane w celu: « Dodatkowego natlenienia wód i osadów dennych « Wspomożenia naturalnych procesów samooczyszczania się wód « Usunięcia nadmiaru skumulowanej materii organicznej w wodzie i osadach dennych « Usunięcia nadmiaru osadów organicznych « Mineralizacji zasobów fosforu organicznego i unieczynnienia nadmiaru fosforanów mineralnych w wodzie i osadach dennych « Kontroli silnych zakwitów fitoplanktonu i eliminacji dominacji cyjanobakterii (sinic) « Wzrostu efektywności rybackiej gospodarki hodowlanej poprzez poprawienie jakości biologiczno-chemicznej i sanitarnej wód oraz poprawę ich bioróżnorodności Dziękujęzauwagę
