41

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].

42

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

43

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.

44

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

45

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. 10

9

komórek/cm

3

, poprzez wielokrotne zraszanie powierzchniowe lub

bezpoœrednio w g³¹b ziemi, poprzez system odpowiednich otworów [6,7,10].

Bezpoœrednio po zaszczepieniu w iloœci ok. 1 dm

3

aktywnej zawiesiny na m

3

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 inocu-

lum, 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.

46

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.

47

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

48

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.

49

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.

Tabela 1. Przykłady biorekultywacji ziemi metodą ex situ

Pochodzenie skażenia i charakter
zanieczyszczonej ziemi

Stanowisko

rekultywacji gruntu

Początkowe

średnie stężenie

zanieczyszczeń

[mg/kg s.m]

Końcowe

średnie stężenie

zanieczyszczeń

[mg/kg s.m]

Łączny czas

trwania

procesu

[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

[mg/kg s.m]

Końcowe

średnie stężenie

zanieczyszczeń

[mg/kg s.m]

Łączny czas

trwania

procesu

[miesiące]

Uwagi

Wyciek spod rurociągu- baza paliwowa
Olszanica

2 000

110

17

dwukrotny wylew
w trakcie procesu
rekultywacji

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

spadek poniżej
poziomu tła w ter.
przemysłowym

Stacja

paliwZ1RZ\P6ąF]X

(wieloletni wyciek spod
zbiorników paliwowych – bezpośrednie
zagrożenie wód Dunajca)

3 647

1 204

5

poziom skażeń na
gł. 3,5 m

51

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 dm

3

zawiesiny/m

3

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

52

ok. 120 m

2

, 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 dm

3

, 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.

53

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 10

9

komórek/ ml), raz

w miesi¹cu. Ogó³em w trakcie prac u¿yto ok. 450 dm

3

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.

54

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.

55

[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.

56

[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. Biode-

gradation of oil derivatives with methylotrophic yeast isolates. Possible enzy-

matic links between the methylotrophic and hydrocarbon-degrading path-

ways. Bioremediation of soils contaminated with aromatic compounds: Ef-

fects 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: [e-mail]