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
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

Create flashcards