BIOTECHNOLOGIE STOSOWANE W ODNOWIE GLEBY

BIOTECHNOLOGIE STOSOWANE W ODNOWIE GLEBY

BIOTECHNOLOGIE STOSOWANE W ODNOWIE GLEBY
ZANIECZYSZCZONEJ SUBSTANCJAMI ROPOPOCHODNYMI
Pawe³ Kaszycki, Henryk Ko³oczek
1. Wprowadzenie
Postêpuj¹ca dewastacja i ska¿enie œrodowiska przyrodniczego, bêd¹ce
skutkiem urbanizacji i dzia³alnoœci przemys³owej cz³owieka, wymaga podjêcia
intensywnych zabiegów, maj¹cych na celu przywrócenie pierwotnego stanu wód,
powietrza i gleby. Znaczne obszary naszego kraju zosta³y ska¿one metalami
ciê¿kimi, chemicznymi œrodkami ochrony roœlin, jak równie¿ substancjami
pochodnymi przerobu ropy naftowej. Toksyczne ska¿enia wykluczaj¹
wykorzystanie rolnicze tych ziem i stanowi¹ zagro¿enie wobec organizmów
¿ywych. W przypadku pojawienia siê w glebie zanieczyszczeñ substancjami
ropopochodnymi, ska¿ona ziemia staje siê odpadem zaliczanym do kategorii
tzw. odpadów niebezpiecznych, to znaczy szczególnie szkodliwych dla ¿ycia
biologicznego i prawid³owego funkcjonowania ekosystemów.
W Polsce problem tzw. gleby zaolejonej dotyczy tysiêcy hektarów by³ych
jednostek i lotnisk wojskowych, a tak¿e instalacji przemys³u rafineryjnego, stacji
benzynowych, przepompowni i baz paliwowych, eksploatacji cystern, obszarów
pod ruroci¹gami, stacji obs³ugi maszyn i pojazdów. Ska¿enia w gruncie osi¹gaj¹
niekiedy bardzo wysoki poziom, przekraczaj¹cy wielokrotnie dopuszczalne
normy; czêsto te¿ obecne s¹ na znacznych g³êbokoœciach, np. do 30 m na terenach
by³ych poradzieckich lotnisk wojskowych. Jednoczeœnie zwi¹zki organiczne, takie
jak paliwa i oleje, wraz z rozpuszczonymi w nich toksycznymi uszlachetniaczami
oraz chlorowcopochodnymi i wielopierœcieniowymi wêglowodorami, wykazuj¹
tendencjê do migracji, zagra¿aj¹c wodom gruntowym i powierzchniowym.
Dzia³ania na rzecz odnowy œrodowiska glebowego, czyli jego rekultywacji,
polegaj¹ na likwidacji zaistnia³ych ska¿eñ, przywróceniu w³aœciwoœci
fizykochemicznych gleby oraz odtworzeniu mikroflory glebowej. O ile problem
neutralizacji szkodliwych œrodowiskowo zanieczyszczeñ mo¿na rozwi¹zaæ dziêki
zastosowaniu ró¿norodnych metod fizycznych i chemicznych, to pe³ne
odtworzenie warunków œrodowiska naturalnego uzyskuje siê dziêki wykorzystaniu
osi¹gniêæ technologii biologicznych – biotechnologii. Ponadto metody
biologicznego oczyszczania s¹ o wiele tañsze, zazwyczaj prostsze w stosowaniu
i czêsto efektywniejsze, a zrekultywowane grunty wykazuj¹ w³aœciwoœci zbli¿one
do gleb niezanieczyszczonych [1-4].
41
Proces samorzutnego oczyszczania zaolejonej gleby jest czêsto d³ugotrwa³y
i wi¹¿e siê zarówno z przebiegiem spontanicznych reakcji fizykochemicznych,
prowadz¹cych do rozk³adu ska¿eñ, jak i z wystêpowaniem na danym obszarze
autochtonicznych organizmów ¿ywych, przejawiaj¹cych specyficzne aktywnoœci
enzymatyczne. Organizmy te zdolne s¹ do tzw. bioremediacji zanieczyszczeñ,
czyli ich unieszkodliwiania na skutek rozk³adu i utlenienia – biodegradacji,
przyswojenia – asymilacji, b¹dŸ przetworzenia na nietoksyczne zwi¹zki
chemiczne, czyli biotransformacji. Same zanieczyszczenia, jako zwi¹zki obce
œrodowisku naturalnemu, s³abo przyswajalne i trudno metabolizowane, s¹
ksenobiotykami. Wœród organizmów dysponuj¹cych metabolicznym
potencja³em rozk³adu ksenobiotyków wyró¿niæ mo¿na naturalnie zasiedlaj¹ce
rejony ska¿eñ mikroorganizmy pro- i eukariotyczne (g³ównie bakterie,
promieniowce i dro¿d¿e), grzyby, a tak¿e pewne gatunki roœlin, wykazuj¹ce
mo¿liwoœci fitoremediacji. Nale¿y jednak¿e zaznaczyæ, ¿e konsekwencj¹
wyst¹pienia ska¿eñ o szczególnie wysokiej toksycznoœci, lub te¿ zanieczyszczenia
ziemi na skutek nag³ych awarii (wycieki spod ruroci¹gów, wypadki cystern, awarie
pomp, itp.), mo¿e byæ ca³kowity brak ¿ycia biologicznego, uniemo¿liwiaj¹cy
podjêcie procesu samooczyszczania œrodowiska glebowego. W takich
przypadkach przeprowadzenie bioremediacji zanieczyszczeñ mo¿liwe jest
wy³¹cznie po wprowadzeniu do gleby odpowiednio aktywnych drobnoustrojów,
toleruj¹cych œrodowisko zanieczyszczeñ.
W pracy poprzedzaj¹cej niniejszy artyku³ [5] przedstawiono wybrane aspekty
metabolizmu ksenobiotyków wêglowodorowych, w tym zw³aszcza szczególnie
uci¹¿liwych zwi¹zków aromatycznych, wskazuj¹c na mo¿liwoœæ wykorzystania
drobnoustrojów do neutralizacji ska¿eñ œrodowiskowych substancjami
ropopochodnymi. Szczegó³owe kierunki badañ wspó³czesnej biotechnologii
œrodowiskowej, obejmuj¹ce koncepcjê wykorzystania rzadkich szlaków
metabolicznych, jak równie¿ sposoby izolacji, selekcji, adaptacji drobnoustrojów
oraz warunki rozwoju mikroflory w obecnoœci toksycznych zwi¹zków
organicznych, zaprezentowano w innych pracach [6-13].
2. Biopreparaty – aktywne konsorcja drobnoustrojów, przeznaczone do
likwidacji ska¿eñ w glebie. Charakterystyka i zastosowanie
Spoœród szeregu opisanych dot¹d sposobów biologicznego oczyszczania
zaolejonych gruntów i wód [1-5, 14, 15], wiêkszoœæ oparta jest na intensyfikacji
procesu poprzez zastosowanie odpowiednio dobranych i przygotowanych
zespo³ów wspó³dzia³aj¹cych ze sob¹ mikroorganizmów – biocenoz lub
42
konsorcjów drobnoustrojów, wyspecjalizowanych pod k¹tem biologicznego
rozk³adu okreœlonych typów zanieczyszczeñ. Biocenozy te, zwane
biopreparatami, s¹ kompozycjami drobnoustrojów o okreœlonym sk³adzie
gatunkowym i proporcjach iloœciowych [6]. Wprowadzane s¹ do œrodowiska
jako zaszczepy biologiczne (inoculum), gdzie umo¿liwiaj¹ dalszy efektywny
rozwój aktywnej mikroflory i znacznie wspomagaj¹ – a niekiedy wrêcz warunkuj¹
– procesy likwidacji ska¿eñ.
Biopreparaty tworzy siê na bazie starannie dobranych szczepów
drobnoustrojów, które s¹ zazwyczaj wczeœniej izolowane z naturalnych siedlisk
zawieraj¹cych dany rodzaj ksenobiotyków. Nastêpnie, mikroorganizmy te
poddaje siê starannej selekcji, adaptacji do œrodowiska okreœlonych
zanieczyszczeñ oraz integracji z innymi szczepami, wspó³obecnymi
w konstruowanym biopreparacie, tak aby wszystkie wystêpuj¹ce gatunki
cechowa³y siê du¿¹ ¿ywotnoœci¹ i jednoczeœnie wykazywa³y aktywnoœci
o charakterze synergistycznym.
Intensyfikacja procesu bioremediacji ska¿eñ w glebie polega nastêpnie na
stworzeniu korzystnych warunków wzrostu mikroorganizmów, jak równie¿ na
optymalizacji biodegradacji z uwzglêdnieniem dodatkowych uwarunkowañ
œrodowiskowych. I tak szybkoœæ procesu biorekultywacji gleby zwiêksza siê
g³ównie poprzez odpowiednie jej natlenienie (aeracjê), ustalenie optymalnych
warunków pH i temperatury, dostarczenie w³aœciwych mikroelementów w postaci
specjalnie dobranych nawozów mineralnych, a tak¿e poprzez zwiêkszenie gêstoœci
aktywnie dzia³aj¹cej biocenozy. Szczegó³owa analiza biologicznych parametrów,
wp³ywaj¹cych na jakoœæ i szybkoœæ procesów bioremediacji ksenobiotyków,
ma kluczowe znaczenie dla efektywnoœci ekonomicznej przedsiêwziêcia [8].
W przypadku biodegradacji konkretnego rodzaju zanieczyszczenia pojawia siê
koniecznoœæ wykonania szeregu dodatkowych testów optymalizacyjnych dla
biopreparatów, przeznaczonych do zastosowania [10]. W analizach tych nale¿y
uwzglêdniæ miêdzy innymi charakterystykê ska¿eñ pod wzglêdem iloœciowym
i jakoœciowym, okreœlenie szybkoœci procesu w ró¿nych fazach rekultywacji gruntu
oraz stwierdzenie mo¿liwej do osi¹gniêcia wydajnoœci biodegradacji, tzn. ró¿nicy
pomiêdzy pocz¹tkowym i koñcowym stê¿eniem zanieczyszczeñ. Nale¿y równie¿
zwróciæ uwagê na zdefiniowane mechanizmów reakcji biochemicznych
prowadz¹cych do rozk³adu ska¿eñ, w tym stwierdzenie obecnoœci substancji
chemicznych hamuj¹cych proces, okreœlenie zapotrzebowania mikroflory na
makro- i mikroelementy, potrzeby zastosowania kosubstratów oraz dodatkowych
akceptorów elektronów, jak równie¿ mo¿liwoœci pojawienia siê toksycznych
zwi¹zków poœrednich – intermediatów metabolicznych.
43
Podczas prowadzenia prac nad oczyszczeniem ska¿onego obszaru, w sposób
ci¹g³y prowadzone s¹ obserwacje (monitoring) zawartoœci zanieczyszczeñ
w rekultywowanym gruncie oraz systematycznie kontrolowany jest sk³ad
biocenozy drobnoustrojów rozwijaj¹cych siê w glebie. W szczególnoœci,
dokonuje siê analiz pod k¹tem obecnoœci bakterii patogennych, grzybów
chorobotwórczych oraz nieaktywnych drobnoustrojów.
Oczyszczona ziemia nie powinna wykazywaæ przekroczeñ w odniesieniu do
normatywów, przyjêtych dla okreœlonego obszaru sozologiczno-urbanistycznego.
W celu okreœlenia jakoœci gruntu poddanego rekultywacji mikrobiologicznej
wykorzystuje siê wskazówki metodyczne PIOŒ [16], w których dokonano
klasyfikacji terenów dla ustalenia dopuszczalnych zawartoœci wêglowodorów
oraz innych substancji chemicznych. Ze wzglêdu na charakter zagospodarowania
i u¿ytkowania terenów wydzielono trzy obszary sozologiczno-urbanistyczne:
A, B oraz C, zdefiniowane nastêpuj¹co:
– obszar A: tereny prawnie chronione (parki narodowe, rezerwaty), obszary
górnicze wód leczniczych, obszary zasilania u¿ytkowych zbiorników wód
podziemnych oraz strefy ochronne Ÿróde³ i ujêæ wód podziemnych;
– obszar B: tereny upraw rolniczych (uprawy zbó¿, pastwiska, sady), obszary
leœne, tereny zabudowy mieszkaniowej, rekreacji, wypoczynku oraz miejsca
u¿ytecznoœci publicznej;
– obszar C: tereny zak³adów przemys³owych, magazyny paliw p³ynnych
i sta³ych, trasy komunikacyjne (drogi, torowiska), lokomotywownie, miejsca
sk³adowania odpadów, poligony wojskowe, lotniska oraz tereny upraw roœlin
przemys³owych.
Ziemia ska¿ona odpadami przemys³u rafineryjnego zostaje zakwalifikowana
przez uprawnionych rzeczoznawców do okreœlonej grupy odpadów, w oparciu
o ustawê o odpadach z 27 czerwca 1997 r. oraz wydane na jej podstawie
rozporz¹dzenie Ministra Ochrony Œrodowiska, Zasobów Naturalnych i Leœnictwa
z 24 grudnia 1997 r. w sprawie klasyfikacji odpadów, w tym odpadów
niebezpiecznych [17]. Cytowane rozporz¹dzenie klasyfikuje odpady wed³ug
Ÿród³a ich powstawania, dziel¹c je na grupy, podgrupy i rodzaje. Substancji
odpadowej przypisany zostaje odpowiedni szeœciocyfrowy kod identyfikacyjny.
Biologiczny rozk³ad zanieczyszczeñ w glebie z wykorzystaniem biopreparatów
jest niekiedy d³ugotrwa³y i – w zale¿noœci od rodzaju ska¿eñ, ich pocz¹tkowej
koncentracji oraz stopnia toksycznoœci – mo¿e trwaæ nawet kilka lat. Nale¿y
podkreœliæ, ¿e tzw. kinetyka procesu, czyli czasowy przebieg bioremediacji
ska¿eñ, jest zjawiskiem z³o¿onym, wielofazowym i nieliniowym, co stanowi wa¿ny
aspekt praktyczny przy planowaniu konkretnego projektu rekultywacji.
Najczêœciej, po pocz¹tkowym okresie najszybszej degradacji, obserwowany
44
jest znacznie wolniejszy spadek poziomu zanieczyszczeñ w glebie. Tê drug¹ fazê
mo¿na wprawdzie przyœpieszyæ poprzez zabiegi optymalizacyjne (patrz: wy¿ej),
jednak¿e powoduje ona wyd³u¿enie czasu niezbêdnego do osi¹gniêcia
zamierzonych, normatywnych stê¿eñ ksenobiotyków. Na rys. 1, na przyk³adzie
biorekultywacji gruntów zawieraj¹cych zanieczyszczenia pochodz¹ce z przerobu
ropy naftowej, przedstawiono kinetykê biodegradacji zwi¹zków organicznych
na wydzielonym stanowisku oczyszczania ziemi, poddanej rekultywacji za pomoc¹
specjalistycznego biopreparatu wytworzonego w laboratoriach Zak³adu Biochemii
Akademii Rolniczej w Krakowie.
Rys.1. Przyk³adowa kinetyka biodegradacji ska¿eñ naftowych w gruncie. Wyniki uzyskano na
podstawie monitoringu zanieczyszczeñ na stanowisku oczyszczania w Trzebini (patrz tab.1).
Wprowadzanie zaszczepu (inoculum) aktywnych drobnoustrojów do gleby
zanieczyszczonej odbywa siê w postaci zagêszczonego biopreparatu o gêstoœci
ok. 109 komórek/cm3, poprzez wielokrotne zraszanie powierzchniowe lub
bezpoœrednio w g³¹b ziemi, poprzez system odpowiednich otworów [6,7,10].
Bezpoœrednio po zaszczepieniu w iloœci ok. 1 dm3 aktywnej zawiesiny na m3
ska¿onej ziemi, mikroorganizmom zapewnia siê optymalne parametry fizjologiczne:
napowietrzania, pH, temperatury, wilgotnoœci oraz dostêpnoœci czynników
biotycznych (sole mineralne, witaminy, koenzymy etc.). Wysoka gêstoœæ komórek
w biopreparacie u³atwia ich transport w celu zaszczepiania gruntu. Jednoczeœnie
powstaje mo¿liwoœæ intensyfikacji procesu poprzez zwiêkszenie gêstoœci inoculum, jak np. w przypadku ska¿eñ szczególnie trudno poddaj¹cych siê degradacji
biologicznej. Po wprowadzeniu biopreparatu do œrodowiska glebowego nastêpuje
dalszy, dynamiczny rozwój aktywnej mikroflory, co warunkuje skutecznoœæ
procesu likwidacji ska¿eñ.
45
Specyficzne biopreparaty mo¿na wytworzyæ ka¿dorazowo na cele realizacji
projektu rekultywacji zanieczyszczonego terenu, w oparciu o wyosobnione ze
ska¿onej gleby drobnoustroje autochtoniczne. Jednak¿e w sytuacjach
uniemo¿liwiaj¹cych szybkie pozyskanie mikroflory autochtonicznej, jak np.
w przypadku nag³ych awarii i wycieków paliwa lub wysokiego poziomu
toksycznych zwi¹zków, wykorzystuje siê tzw. biopreparat bazowy [6.] Stanowi
on œciœle okreœlony gatunkowo zestaw mikroorganizmów pro- i eukariotycznych,
pozyskanych w ci¹gu wielu lat z terenów ca³ej Polski, z ró¿norakich stanowisk
gleby i wód zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi, gdzie
drobnoustroje te wystêpowa³y jako organizmy autochtoniczne. W efekcie,
powsta³a bogata, biologicznie zbalansowana biocenoza, na bazie której
przygotowuje siê nastêpnie aktywn¹ zawiesinê drobnoustrojów s³u¿¹c¹ do
rozk³adu konkretnego ska¿enia. G³ówn¹ zalet¹ wielogatunkowego biopreparatu
bazowego jest jego bioró¿norodnoœæ, która warunkuje wysok¹ opornoœæ
biocenozy na heterogeniczne ska¿enia, du¿e zdolnoœci adaptacyjne do
œrodowiska zawieraj¹cego nowe ksenobiotyki oraz mo¿liwoœæ dalszej
specjalizacji pod k¹tem rozk³adu okreœlonych ska¿eñ. Jest to uk³ad dynamiczny
i jego sk³ad gatunkowy oraz aktywnoœæ fizjologiczna mo¿e ulegaæ kontrolowanej
zmianie i ewolucji.
W biopreparacie bazowym oznaczano wielokrotnie zarówno gramujemne
pa³eczki, jak i gramdodatnie laseczki i ziarenkowce nale¿¹ce do rodzajów:
Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Ochrobactrum, Chromobacterium,
Citrobacter, Micrococcus, Flavobacterium, Serratia, Alcaligenes, a tak¿e
mikroorganizmy eukariotyczne – dro¿d¿e glebowe z rodzaju: Candida, Pichia
i Trichosporon. Stwierdzono, ¿e wiêkszoœæ oznaczonych szczepów
drobnoustrojów wykazywa³a b¹dŸ konkretne aktywnoœci enzymatyczne rozk³adu
zwi¹zków o d³ugich ³añcuchach wêglowych, b¹dŸ te¿ wystêpowa³a w preparacie
jako symbionty, u³atwiaj¹c innym gatunkom proliferacjê w zawiesinie.
Obserwowano przy tym dominacjê mikroflory bakteryjnej nale¿¹cej do
gramujemnych pa³eczek z grupy Pseudomonadaceae. Bakterie te osi¹ga³y do
80% udzia³u w ca³kowitej liczebnoœci populacji biopreparatu i nale¿a³y do nich
szczepy z gatunków: Pseudomonas stutzeri, P. fluorescens, P. pseudomalei,
P. mendocina, P. vesicularis oraz P. diminuta. Cech¹ charakterystyczn¹ tej
grupy systematycznej jest niezwyk³e bogactwo nietypowych szlaków
metabolicznych, co jest wa¿ne z punktu widzenia degradacji z³o¿onych i czêsto
toksycznych pochodnych wêglowodorów, a tak¿e wysoka zdolnoœæ adaptacyjna
do ró¿nych warunków œrodowiskowych, w tym równie¿ fakultatywne
prze³¹czanie aparatu metabolicznego na warunki beztlenowe.
46
Wyosobnione z zanieczyszczonych siedlisk najbardziej aktywne szczepy
bakterii i dro¿d¿y glebowych po szczegó³owej analizie zdeponowano, w postaci
czystej mikrobiologicznie, na pod³o¿ach sta³ych w banku drobnoustrojów
w Zak³adzie Biochemii AR [6-8, 18, 19]. Utworzona kolekcja mikroorganizmów
jest obecnie wykorzystywana do opracowywania sk³adu oraz konstrukcji nowych
mieszanych biocenoz, przeznaczonych do degradacji najbardziej uci¹¿liwych
ksenobiotyków.
3. Technologie stosowane przy oczyszczaniu zaolejonej ziemi
Szybkoœæ procesu bioremediacji ska¿eñ w glebie jest zale¿na zarówno od
chemicznego charakteru zanieczyszczeñ, jak i od struktury œrodowiska
glebowego. Dla przyk³adu, ziemie wykazuj¹ce du¿y stopieñ spoistoœci, jak np.
i³y, gliny, mady, py³y, piaski gliniaste, wymagaj¹ dodatkowych zabiegów, maj¹cych
na celu zwiêkszenie stopnia przepuszczalnoœci dla wody, powietrza i bakterii.
Zaleca siê wówczas intensyfikacjê napowietrzania oraz podanie zwiêkszonych
iloœci bakterii w zawiesinie wodnej a¿ do momentu powstania zmian, polegaj¹cych
na rozluŸnieniu struktury gleby. W przypadku biooczyszczania gleb piaszczystych,
cechuj¹cych siê ma³¹ pojemnoœci¹ sorpcyjn¹, wskazane jest natomiast czêstsze
podawanie biopreparatu wraz z substancjami troficznymi, ale w mniejszych
jednorazowych dawkach, w celu unikniêcia wycieków i utrzymania odpowiedniej
wilgotnoœci (w granicach 45-60% pojemnoœci sorpcyjnej).
Ziemia zanieczyszczona zwi¹zkami ropopochodnymi mo¿e byæ oczyszczana
nastêpuj¹cymi metodami:
– ex situ (off site), tj. z usuniêciem ziemi z jej naturalnego po³o¿enia.
Rekultywacja gruntu t¹ metod¹ odbywa siê na specjalnie przygotowanym
stanowisku technologicznym;
– in situ (on site), tj. bez usuwania ziemi z miejsca jej naturalnego po³o¿enia.
Wymagane jest wprowadzenie biopreparatu bezpoœrednio do ska¿onego
gruntu w miejscu zaistnia³ego ska¿enia.
Obydwie metody umo¿liwiaj¹ skuteczn¹ likwidacjê zanieczyszczeñ
wêglowodorowych poprzez ich rozk³ad biologiczny. Dobór najbardziej
odpowiedniej metody zale¿y od wielu czynników i dokonywany jest ka¿dorazowo
po ocenie warunków œrodowiskowych, rodzaju ska¿eñ (ich toksycznoœci,
stê¿enia) i dokonaniu odpowiedniego rachunku ekonomicznego (koszty zwi¹zane
z wybraniem gruntu, transport).
I tak, technologia in situ preferowana jest w sytuacji braku mo¿liwoœci
usuniêcia ska¿onej ziemi, na przyk³ad na obszarach przeznaczonych pod
47
budownictwo, terenach wa³ów przeciwpowodziowych, dróg, awarii miejscowych
pod ruroci¹gami i instalacjami, ska¿eñ du¿ych obszarów etc. Likwidacja ska¿eñ
t¹ metod¹ wymaga znajomoœci geologicznej struktury gruntu, topografii ska¿eñ
oraz kierunku przemieszania siê wód gruntowych. Konieczne jest równie¿
wykonanie dodatkowych zabiegów, maj¹cych na celu zapewnienie optymalnych
warunków wzrostu drobnoustrojów (podanie substancji mineralnych, troficznych,
kometabolitów, konstrukcja uk³adu napowietrzania, systemu studzienek
wydobywczych i ch³onnych oraz instalacji pomp z ruroci¹gami ss¹cymi
i t³ocznymi). Niemniej, przy spe³nieniu powy¿szych warunków, jest to technologia
efektywna, umo¿liwiaj¹ca pe³n¹ likwidacjê zanieczyszczeñ.
Metoda ex situ, jakkolwiek wi¹¿e siê z dodatkowym kosztem wywozu ziemi,
umo¿liwia skuteczniejsze wykonanie procesowych zabiegów intensyfikacyjnych
bioremediacji ska¿eñ i w konsekwencji prowadzi do skrócenia ca³kowitego
czasu rekultywacji. Jej zalety to m.in.: ³atwoœæ dostêpu do oczyszczanej gleby
uformowanej w postaci pryzm, ³atwoœæ nadzoru procesu oczyszczania i kontroli
parametrów procesowych, mo¿liwoœæ zapewnienia korzystnych warunków
rozwoju mikroorganizmów. W efekcie uzyskuje siê stosunkowo szybkie tempo
rozk³adu zanieczyszczeñ, prowadz¹ce do korzystniejszych wyników koñcowych
procesu rekultywacji.
48
4. Wp³yw technologii bioremediacji ska¿eñ w glebie na otoczenie
Mikrobiologiczne oczyszczanie gleby ska¿onej organicznymi zwi¹zkami
pochodnymi wêglowodorów jest prowadzone w sposób bezpieczny dla
œrodowiska naturalnego. Kontakt gruntów zanieczyszczonych z terenem
bezpoœrednio przylegaj¹cym, prowadz¹cy do migracji ska¿eñ, uniemo¿liwiony
jest poprzez odpowiednie ekranowanie stanowiska oczyszczania, zarówno w
przypadku metody in situ, jak i ex situ. Zabezpieczenia systemowe gwarantuj¹
brak wydostania siê odcieków poza stanowisko oraz zapobiegaj¹ przedostaniu
siê mikroorganizmów do atmosfery i stanowi¹ wystarczaj¹c¹ ochronê gruntów
i wód gruntowych oraz powietrza przed ska¿eniem. Integralnym elementem
technologii s¹ rutynowo prowadzone i systematyczne, kontrolne badania
monitoringowe œrodowiska naturalnego poza terenem stanowiska oczyszczania:
wód gruntowych i powierzchniowych oraz gleb i gruntów bezpoœrednio
s¹siaduj¹cych. Dokonywana jest przy tym zarówno ocena czystoœci pod
wzglêdem bakteriologicznym, jak i zawartoœci wêglowodorowych substancji
organicznych.
5. Przyk³ady zastosowañ metod biorekultywacji gleby zaolejonej
Przedstawione poni¿ej wybrane dzia³ania na rzecz biologicznej odnowy gleby
zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi pochodz¹ z bogatej i d³ugotrwa³ej
praktyki autorów w zakresie likwidacji ska¿eñ œrodowiskowych,
z wykorzystaniem osi¹gniêæ wspó³czesnej biotechnologii. Zaprezentowano
przyk³ady ukoñczonych projektów rekultywacji, prowadzonych metod¹ ex situ
oraz in situ, we wspó³pracy z polskimi podmiotami gospodarczymi,
z wykorzystaniem specjalnie opracowanych biopreparatów. W tabelach 1 i 2
pokazano spektakularne wyniki biodegradacji wysokich pocz¹tkowych
zanieczyszczeñ w glebie, wraz z podaniem czasu prowadzenia procesu.
49
Tabela 1. Przykłady biorekultywacji ziemi metodą ex situ
Pochodzenie skażenia i charakter
zanieczyszczonej ziemi
Stanowisko
rekultywacji gruntu
Początkowe
średnie stężenie
zanieczyszczeń
Końcowe
Łączny czas
średnie stężenie
trwania
zanieczyszczeń
procesu
[mg/kg s.m]
[mg/kg s.m]
[miesiące]
Wycieki paliw ze stacji benzynowych
Kościelniki
8 075
1 211
0.8
Ziemia wybrana z terenu stacji SDOLZ w
Skawinie
Skawina
4 639
436
16
Stacja paliw w Limanowej –
oczyszczanie ziemi spod zbiorników
Brzesko
6 155
335
7
Ziemia z terenu modernizowanej stacji
SDOLZw Olecku
Olecko
3 800
919
9
Modernizacja stacji SDOLZ w
Zakopanem
Nowy Sącz
9 367
177
7
Ziemia zawierająca osady i
pozostałości porafineryjne
Trzebinia- stan. nr 2
17 470
602
3
Ziemia zawierająca osady i
pozostałości porafineryjne
Trzebinia- stan. nr
L1
23 993
6 652
6
Tabela 2. Przykłady biorekultywacji ziemi metodą in situ
Miejsce wystąpienia i charakter
skażenia
Początkowe
średnie stężenie
zanieczyszczeń
Końcowe
Łączny czas
średnie stężenie
trwania
zanieczyszczeń
procesu
[mg/kg s.m]
[mg/kg s.m]
[miesiące]
Wyciek spod rurociągu- baza paliwowa
Olszanica
2 000
110
17
Brzesko- teren byłej bazy CPN (stacja
przeładunku paliw)
51 076
680
25
Teren stacji transformatorowej
w Brzesku (skażenie gleby
po wycieku oleju transformatorowego)
1 382
677
10
Stacja paliwZ1RZ\P6ąF]X
(wieloletni wyciek spod
zbiorników paliwowych – bezpośrednie
zagrożenie wód Dunajca)
3 647
1 204
5
Uwagi
dwukrotny wylew
w trakcie procesu
rekultywacji
spadek poniżej
poziomu tła w ter.
przemysłowym
poziom skażeń na
gł. 3,5 m
5.1. Bioremediacja ska¿eñ metod¹ ex situ
Na prze³omie roku 2000/2001 oczyszczano ziemiê pochodz¹c¹ z wykopów
spod przeciekaj¹cych zbiorników stacji paliw p³ynnych
w Zakopanem. Na skutek wieloletniej kumulacji zanieczyszczeñ olejem
napêdowym i benzynami, stê¿enie substancji ropopochodnych w glebie wybranej
z terenu stacji osi¹ga³o 10 000 mg/ kg s.m. Ziemia zosta³a przewieziona na
stanowisko oczyszczania w Nowym S¹czu, a nastêpnie uœredniona i rozdrobniona,
przy czym postêpowano standardowo, wed³ug opisanego wy¿ej schematu
dzia³añ. Poniewa¿ w glebie tej nie stwierdzono obecnoœci aktywnych form
drobnoustrojów autochtonicznych, uformowan¹ pryzmê technologiczn¹ zadano
biopreparatem bazowym w ³¹cznej iloœci 1 dm3 zawiesiny/m3 ziemi, stosuj¹c
kilkakrotne zraszanie zawiesin¹ drobnoustrojów. Obserwowano dynamiczny
spadek sumy ska¿eñ organicznych, osi¹gaj¹c rezultat poni¿ej 200 mg/kg s.m. po
7 miesi¹cach prowadzenia procesu (rys. 2). Oczyszczon¹ glebê przeznaczono
do wykorzystania jako ziemiê pod tereny zieleni miejskiej.
Rys. 2. Oczyszczanie ziemi zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi na terenie
modernizowanej stacji benzynowej w Zakopanem metod¹ biologicznego rozk³adu
zanieczyszczeñ ex situ.
5.2. Bioremediacja ska¿eñ metod¹ in situ
5.2.1. Rekultywacja gleby po wycieku oleju transformatorowego
Na skutek awarii transformatora, spowodowanej uderzeniem pioruna w roku
2001, na terenie stacji przesy³owej zak³adów energetycznych wyst¹pi³ wyciek
oleju transformatorowego. Ska¿eniu substancjami ropopochodnymi uleg³ obszar
51
ok. 120 m2, po³o¿ony w bezpoœredniej bliskoœci transformatora. W wyniku
zawartoœci w oleju substancji toksycznych, na obszarze objêtym awari¹ zanik³o
¿ycie biologiczne. Badania i prace prowadzono w szczególnie trudnym okresie
jesieñ 2001 – wiosna 2002, w niskiej temperaturze, radykalnie spowalniaj¹cej
fizjologiczn¹ i biochemiczn¹ aktywnoœæ drobnoustrojów, a tak¿e przy du¿ej iloœci
opadów. Po sporz¹dzeniu charakterystyki topografii ska¿enia dokonano ekstrakcji
ska¿eñ z prób gruntu oraz wykonano testy toksycznoœci wydzielonych substancji
organicznych wobec kultur bakteryjnych. Nastêpnie, przeprowadzono selekcjê
mikroorganizmów w obecnoœci ska¿eñ w celu wytworzenia specjalnie
adaptowanego biopreparatu.
Teren poddany rekultywacji zadano preparatem bakteryjnym trzykrotnie,
w ³¹cznej iloœci 120 dm3, w paŸdzierniku, listopadzie 2001 r. oraz w maju 2002 r.
Wentylacjê gruntu zapewniono poprzez zastosowanie systemu rur drenarskich.
W póŸnym okresie jesiennym zastosowano dodatkowo zabieg umo¿liwiaj¹cy
wyd³u¿enie aktywnej bioremediacji poprzez przykrycie terenu agrow³óknin¹,
w celu zapobiegniêcia zamarzaniu powierzchniowych warstw ziemi. Po koñcowym
etapie oczyszczania stwierdzono spadek stê¿enia ska¿eñ olejem trans-formatorowym poni¿ej poziomu t³a (obszar bezpoœrednio przylegaj¹cy, teren
przemys³owy), zarówno w warstwie podpowierzchniowej gruntu (g³êb. 10 cm),
jak i warstwie po³o¿onej na g³êbokoœci 70 cm (rys. 3). Po zakoñczeniu procesu
biologicznej rekultywacji gruntu zaobserwowano bujn¹ wegetacjê trawy
– bioindykatora zanieczyszczeñ – któr¹ posiano na miejscu awarii.
Rys. 3. Rekultywacja gruntu ska¿onego olejem transformatorowym metod¹ biologicznego
rozk³adu zanieczyszczeñ in situ. Obserwacje na wybranym stanowisku monitoringowym.
52
5.2.2. Oczyszczanie gruntu w warunkach bezpoœredniego
zagro¿enia czystoœci rzeki Dunajec
W obliczu zagro¿enia katastrof¹ ekologiczn¹, na skutek migruj¹cych w gruncie
ska¿eñ pochodz¹cych ze stacji benzynowej, prowadzono w latach 1999-2001
intensywne prace rekultywacyjne [21]. KoniecznoϾ szybkiej likwidacji
zanieczyszczeñ wyst¹pi³a w pó³nocnej czêœci miasta Nowy S¹cz, w obrêbie stacji
paliw i na terenach bezpoœrednio do niej przyleg³ych, w tym pod nawierzchni¹
ruchliwej, g³ównej drogi krajowej, na rozleg³ym, p³askim tarasie, utworzonym
przez rzekê Dunajec, rzekê Kamienica i potok Lubinka. Na obszarze tym dosz³o
do znacznego ska¿enia wód podziemnych, przy czym obserwacje kierunku sp³ywu
tych wód i kszta³tu plamy zanieczyszczeñ wskazywa³y na niebezpieczeñstwo
kontaminacji pobliskich studni gospodarstw domowych, jak równie¿ zagro¿enie
zatruciem pobliskich rzek, w tym rzeki Dunajec. Wielopunktowe pomiary
topografii ska¿enia oraz stê¿eñ substancji ropopochodnych w wodach
gruntowych i glebie wykaza³y obecnoœæ najwiêkszego ska¿enia, osi¹gaj¹cego
na g³êbokoœci 4 m wartoœæ 5 700 mg/kg s.m., bezpoœrednio pod nawierzchni¹
szosy. Uwzglêdniaj¹c specyfikê hydrogeologiczn¹ omawianego terenu oraz
stopieñ ska¿enia, opracowano projekt likwidacji zanieczyszczeñ z zastosowaniem
nowatorskiej w skali kraju, zmodyfikowanej technologii oczyszczania in situ
wód podziemnych oraz gleby. Na obszarze ska¿enia wywiercono szereg otworów
nawiewnych, wentylacyjnych, a tak¿e otwór czerpalny. Otwory te zosta³y
po³¹czone systemem rur z uk³adem pompy pró¿niowej zasysaj¹cej powietrze
przez biofiltr. Rola biofiltra polega³a na zabezpieczeniu uk³adu przed
wydmuchiwaniem flory bakteryjnej. Otwory wentylacyjne s³u¿y³y równoczeœnie
do podawania biopreparatu bakteryjnego w g³¹b ziemi. Biopreparat podawano
do otworów wentylacyjnych w du¿ej gêstoœci (5 x 109 komórek/ ml), raz
w miesi¹cu. Ogó³em w trakcie prac u¿yto ok. 450 dm3 aktywnej zawiesiny
mikroorganizmów. Po zakoñczeniu prac w lipcu 2001r ., analizy poziomu ska¿eñ
wykaza³y, ¿e koncentracja zanieczyszczeñ w glebie nie odbiega³a od norm
przewidzianych dla gruntów niezanieczyszczonych. Nale¿y podkreœliæ, ¿e
niezw³ocznie podjête dzia³ania z wykorzystaniem intensyfikowanych metod
mikrobiologicznego oczyszczania gleby zapobieg³y katastrofie ekologicznej
o znacznej skali.
53
6. Podsumowanie
W Polsce prowadzone s¹ prace badawcze i wdra¿ane technologie
bioremediacji ska¿eñ porafineryjnych maj¹cych na celu odnowê œrodowiska
zaolejonej gleby. Niestety, dzia³ania te s¹ rozproszone, nieskoordynowane
i niedofinansowane. Potencja³ finansowy rodzimych firm biotechnologicznych jest
bardzo ograniczony. Niewielkie jest jednoczeœnie prze³o¿enie wyników badañ
podstawowych na dzia³ania praktyczne. Dlatego te¿ istnieje pilna potrzeba
wspó³pracy instytutów badawczych i uczelni akademickich z podmiotami
gospodarczymi, zajmuj¹cymi siê ochron¹ i rekultywacj¹ œrodowiska. Ma to
szczególne znaczenie w kontekœcie ochrony polskiej myœli technicznej, a tak¿e
firm krajowych oraz wielu potencjalnych stanowisk pracy, zw³aszcza wobec
obserwowanej stopniowej ekspansji konkurencyjnych przedsiêbiorstw
zagranicznych. Jednoczeœnie nale¿y podkreœliæ, ¿e rozwój biotechnologii
wykorzystywanych na rzecz ochrony œrodowiska przyrodniczego w Polsce jest
zgodny z tendencjami obserwowanymi w gospodarkach rozwiniêtych, a korzyœci
wynikaj¹ce z promocji biologicznych metod oczyszczania œrodowiska maj¹
aspekt nie tylko ekonomiczny, lecz równie¿ spo³eczny i ogólnocywilizacyjny,
umo¿liwiaj¹c zachowanie równowagi pomiêdzy postêpuj¹c¹ industrializacj¹ i
urbanizacj¹, nowoczesnym rolnictwem, a nieska¿on¹ przyrod¹.
Piœmiennictwo
[1] Siuta J., 1997. Podstawy biodegradacji ropopochodnych sk³adników
w glebach i w odpadach. „Technologie odolejania gruntów, odpadów,
œcieków.” I konferencja naukowo-techniczna, Gorlice-Wysowa Zdrój 1997,
Wyd. Ekoin¿ynieria, 119-130.
[2] Klimiuk E., £ebkowska M. Biotechnologia w ochronie œrodowiska.
Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2003.
[3] Suryga³a J., red. Zanieczyszczenia naftowe w gruncie , Oficyna
Wyd. Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 2000.
[4] £ebkowska M., Muszyñski A., Sztompka E., Karwowska E., Miaœkiewicz
E., 1997. Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów ze sk³adników
ropopochodnych. „Technologie odolejania gruntów, odpadów, œcieków.”
I konferencja naukowo-techniczna, Gorlice-Wysowa Zdrój 1997, Wyd.
Ekoin¿ynieria, 115-119.
[5] Ko³oczek H., Kaszycki P., 2004. Biologiczne mechanizmy oczyszczania
ska¿eñ organicznych w glebie. Artyku³ poprzedzaj¹cy – w niniejszej Monografii.
54
[6] Kaszycki P., Szumilas P., Ko³oczek H., 2001. Biopreparat przeznaczony do
likwidacji œrodowiskowych ska¿eñ wêglowodorami i ich pochodnymi.
„Biopreparaty w ochronie i u¿ytkowaniu œrodowiska”, In¿ynieria Ekologiczna,
4: 15-22.
[7] Kaszycki P., Solecki T., Krawczyk A., Ko³oczek H., 2000. Optymalizacja
metod biologicznego oczyszczania zaolejonych gruntów. In¿ynieria
Ekologiczna, 2: 40-47.
[8] Kaszycki P., Krawczyk A., Ko³oczek H., 2002. Stan i perspektywy
biodegradacji ropopochodnych zanieczyszczeñ w glebach po³udniowej czêœci
Polski. „Ekoin¿ynieria dla Ekorozwoju”, In¿ynieria Ekologiczna, 7: 15-22.
[9] Ko³oczek H., Kaszycki P., Jaglarz A., Solecki T., 2003. Opracowanie procesu
biodegradacji zanieczyszczeñ organicznych zawieraj¹cych polichlorowane
bifenyle (PCB) w warunkach zagro¿enia wód. „Technologie odolejania
gruntów, odpadów, œcieków”, In¿ynieria Ekologiczna, 8: 59-70.
[10] Kaszycki P., Œcigalski A., Solecki T, Krawczyk A., Ko³oczek H., 1998.
Wybrane kierunki prac nad biodegradacj¹ zanieczyszczeñ wêglowodorami
w gruntach ska¿onych produktami naftowymi. „Ekologia w dystrybucji paliw
p³ynnych 2000 “– Konferencja Naukowo-Techniczna, Kazimierz Dolny 1998,
str.136-142.
[11] Kaszycki P., Ko³oczek H., Malec P., 1997. Mo¿liwoœci zastosowania
mikroorganizmów, wykorzystuj¹cych rzadko spotykane szlaki metaboliczne,
w biodegradacji toksycznych sk³adników œcieków przemys³owych.
Mikrobiologia Medycyna, 1: 3-8.
[12] Tyszka M., Kaszycki P., Ko³oczek H., 1998. Metody wspó³czesnej
biotechnologii w procesach biodegradacji zanieczyszczeñ. 1. Ukierunkowane
modyfikacje biocenozy osadu czynnego z biologicznych oczyszczalni œcieków.
Ekologia i Technika, 6: 175-179.
[13] Augustynowicz J., Szaraniec B., Kaszycki P., Ko³oczek H., 2004. Wp³yw
trehalozy na procesy stabilizacji biocenoz biopreparatu przeznaczonego do
degradacji zwi¹zków ropopochodnych. Acta Scientiarum Polonorum
Biotechnologia, 3: 3 –12.
[14] Bieszkiewicz E., Mycielski R., Boszczyk-Maleszak H., Wyszkowska B.,
1997. Biodegradacja frakcji œcieków petrochemicznych przez bakterie
izolowane z zaolejonej gleby. Biotechnologia, 1: 71-77.
[15] Sztompka E., 1999. Biodegradation of engine oil in soil. Acta Microbiologica
Polonica, 48: 185-196.
[16] Wskazówki metodyczne dotycz¹ce oceny stopnia zanieczyszczenia gruntów
i wód podziemnych produktami ropopochodnymi i innymi substancjami
chemicznymi w procesach rekultywacji. PIOŒ, Warszawa 1995.
55
[17] Rozporz¹dzenie Ministra Ochrony Œrodowiska, Zasobów Naturalnych i
Leœnictwa z dnia 24 grudnia 1997r. w sprawie klasyfikacji odpadów.
Dz. Ustaw nr 162, poz. 1135, z 31.12.1997 r.
[18] Koloczek H., Czechowska K., Petryszak P., Kaszycki P., 2004. Biodegradation of oil derivatives with methylotrophic yeast isolates. Possible enzymatic links between the methylotrophic and hydrocarbon-degrading pathways. Bioremediation of soils contaminated with aromatic compounds: Effects of rhizosphere, bioavailability, gene regulation and stress adaptation.
NATO Advanced Research Workshop, 1-3 July 2004, Tartu, Estonia.
[19] Kaszycki P., Miêdzobrodzki J., Czechowska K., Petryszak P., Pawlik
B., Macura A.B., Ko³oczek H., 2004. Trichosporon cutaneum KP01:
niekonwencjonalny metylotroficzny szczep dro¿d¿owy, wyizolowany
z zaolejonego gruntu. Postpy Mikrobiologii, 43 Supl. 1:321.
[20] Muller-Margraf W., 1995. Bioremediation of soil. In: „Methods in Applied
Soil Microbiology and Biochemistry”, Academic Press Ltd., Chpt.11,
pp.529-546.
[21] Kaszycki P., Krawczyk A., Ko³oczek H., Solecki T., 2001. Zastosowanie
nowatorskiej technologii oczyszczania gleby metod¹ biologiczn¹ in situ
w warunkach zagro¿enia wód Dunajca. „Biopreparaty w ochronie
i u¿ytkowaniu œrodowiska”, In¿ynieria Ekologiczna, 4: 9-14.
dr Pawe³ Kaszycki,
dr hab. Henryk Ko³oczek, prof. AR
Zak³ad Biochemii
Wydzia³ Ogrodniczy AR w Krakowie
Al. 29 Listopada 54, 31-425 Kraków
e-mail: [email protected]
56