BIOREMEDIACJA METALI CI
ŻKICH I
INNYCH ZANIECZYSZCZEC
Z GLEBY
Bioremediacja  bioodzysk jest określana jako użycie biologicznych układów
w celu redukcji wielkości zanieczyszczenia powietrza, wody i gleby lub transformacji
różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe.
Stosowane są różne układy biologiczne: rośliny (fitoremediacja),
drobnoustroje (biohydrometalurgia). Potencjalne możliwości mikroorganizmów są
olbrzymie i dotychczas nie w pełni poznane.
Bioremediacja wybranych metali ciężkich
Metale ciężkie są bardzo ważnym elementem skorupy ziemskiej. Uważane są
za nieodnawialne bogactwa naturalne. Problem środowiskowy, jaki one stwarzają,
jest złożony. Z jednej strony mamy do czynienia ze znacznym ubytkiem rud, w skład
których one wchodzą, z drugiej zaś, występują one w coraz wyższych stężeniach w
żywych organizmach (rośliny, zwierzęta, ludzie) i środowisku, w którym bytują te
organizmy. Przyczyną rozproszenia i wzrostu toksycznego wpływu wielu metali na
organizmy żywe są głównie procesy antropogeniczne.
Ekspansywna gospodarka realizowana przez człowieka doprowadziła do
znacznego ubytku głównych zasobów naturalnych. Gdy względy technologiczne, a
przede wszystkim ekonomiczne, nie pozwalajÄ… na eksploatacjÄ™ ubogich rud,
wówczas niezbędne okazują się metody biotechnologiczne. Wykorzystują one
swoiste właściwości drobnoustrojów.
W wyniku wydobycia rud i dalszych procesów związanych z wykorzystaniem
wydobytego surowca powstają odpady. Zawierają one metale ciężkie. Często są one
kierowane do wód, gleb i atmosfery, a stamtąd do roślin. Rośliny są głównym odbior-
cą składników mineralnych, w tym metali ciężkich i jednocześnie głównym z
ródłem
tych pierwiastków w pożywieniu ludzi i zwierząt.
Istnieje pilna potrzeba stosowania takich procesów, które pozwolą na odzysk
metali ciężkich z odpadów i z ubogich rud, aby jednocześnie ograniczyć do minimum
ich negatywny wpływ na organizmy żywe.
Najczęściej stosowane są metody fizykochemiczne np.: ekstrakcja, strącanie,
wymiana jonowa, procesy membranowe i in. W niewielkim stopniu wykorzystywane
są procesy biologiczne, które wykorzystywałyby naturalne procesy warunkujące
obieg metali w przyrodzie. W przyszłości stanowić one będą tzw.  ekologicznie
czyste technologie.
Bioodzysk (bioremediacja) jest zespołem zabiegów stymulujących
charakterystyczne, dla określonego środowiska, mikroorganizmy do usuwania
chemicznych zanieczyszczeń (w tym metali ciężkich) głównie z gleby i wód
gruntowych. W ciągu ostatnich kilkunastu lat najpopularniejsza stała się metoda
remediacji bakteryjnej.
Metoda wykorzystująca zdolność niektórych gatunków roślinnych do
akumulowania m.in. metali ciężkich w ilościach przekraczających potrzeby
pokarmowe roślin to fitoodzysk (fitoremediacja).
Nauka o technologiach i technicznych sposobach wykorzystania
mikroorganizmów w procesach wydobycia, przetwórstwa metali oraz biologicznych
metodach ekstrakcji z roztworów i odpadów nosi nazwę biohydrometalurgii.
METALE NIEZB
DNE I TOKSYCZNE
Spośród ponad stu pierwiastków układu okresowego występujących w
biosferze, znaczną ich część stanowią metale. Większość metali nie występuje w
stanie czystym a jedynie w rudach razem z innymi składnikami. Metale dzieli się na:
niezbędne i toksyczne, żeliwne i nieżeliwne, lekkie i ciężkie oraz wyróżnia się grupę
metali szlachetnych.
Metale ciężkie to te metale, których gęstość jest większa od 4,5 [g/cmł].
Należą one często do grupy pierwiastków śladowych. Dzieli się na cztery grupy:
- pierwiastki o bardzo wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia dla
środowiska, do których zalicza się m.in.: Cd, Hg, Cr, Ag, Zn, Au, Sb, Sn, Tl,
- pierwiastki o wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska:
Mo, Mn, Fe, Se i in.,
- pierwiastki o średnim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska: V,
Ni, Co, W i in.,
- pierwiastki o niskim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska: Zr,
Ta, La, Nb i in.
Metale, w tym metale ciężkie, w środowisku mają w przeważającej większości
naturalne pochodzenie. Wskutek naturalnych i antropogenicznych procesów
następuje ich ciągłe przemieszczanie z pierwotnego z
ródła do innego elementu
środowiska a tym samym ich rozproszenie. Towarzyszy temu zmiana formy, stopnia
utlenienia oraz stężenia danego pierwiastka.
Do naturalnych procesów, warunkujących zmianę miejsca występowania metali
ciężkich w środowisku, należą następujące procesy:
- magmowe i pomagmowe,
- metamorficzne (przemiany skał osadowych lub magmowych pod wpływem
wzrostu temperatury, ciśnienia i in.),
- hipergeniczne (zachodzące pod wpływem czynników hydro-, atmo- i biosfery,
np. wietrzenie skał, transport, sedymentacja itp.).
W wyniku wyżej wymienionych procesów pierwotne miejsce występowania
metali ciężkich ulega zmianie. Przemieszczają się one do atmo-, hydro-, biosfery i
gleb, a stamtąd do organizmów żywych. Najczęściej ich stężenie nie przekracza
kilkunastu [mg/kg] (ppm).
Obecność metali ciężkich w wodach warunkowana jest głównie ich
rozpuszczalnością, zależną od: domieszek i zanieczyszczeń w wodzie, pH,
potencjału utleniająco redukującego, możliwości tworzenia rozpuszczalnych
kompleksów.
Stężenie metali ciężkich w glebach zależy od wielkości adsorpcji, na którą ma
wpływ: obecność związków humusowych i innych składników gleby, pH, potencjał
utleniajÄ…co redukcyjny i in.
Występowanie metali w organizmach żywych jest konsekwencją występowania
ich w środowisku, w którym żyją.
Na intensywność migracji metali ciężkich w biosferze ma wpływ wiele
czynników, m.in.: geochemiczne, fizyczno-chemiczne, klimatyczne i biologiczne.
Do antropogenicznych procesów, będących z
ródłem metali ciężkich należą:
- wydobywanie rud metali,
- transport rudy do punktu przeróbki,
- przetwarzanie,
- eksploatacja,
- końcowe zagospodarowanie bądz
utylizacja zużytych produktów.
Rozproszenie metali ciężkich i związane z tym zagrożenia dla organizmów
żywych i środowiska jest w głównej mierze efektem procesów antropogenicznych.
Powstałe odpady stałe, płynne bądz
gazowe kierowane sÄ… do: wody, gleby,
atmosfery.
Główne zanieczyszczenie wód stanowią ścieki przemysłowe. Pochodzą one z:
hut, przemysłu galwanizerskiego, garbarskiego, produkcji nawozów sztucznych,
środków ochrony roślin, z zakładów farbiarskich, włókienniczych,
elektrochemicznych, motoryzacyjnych, energetycznych oraz z zakładów
produkujÄ…cych baterie, akumulatory, katalizatory itp..
Obecność metali ciężkich w ściekach może być też skutkiem korozji
rurociągów, obecnością w detergentach, odprowadzanymi ściekami z myjni i garaży
samochodowych.
Tabela 1. Wybrane metale ciężkie i gałęzie przemysłu będące z
ródłem ich emisji do
środowiska
Metale Gałęzie przemysłu
Galwanizernie, produkcja barwników, baterii, akumulatorów,
Cd farb i tworzyw sztucznych, stabilizatorów polimerów, przem.
chemiczny, ochrony roślin, zakłady graficzne i drukarskie
Produkcja barwników, akumulatorów, baterii, nawozów,
Pb motoryzacja, przem. energetyczny, ochrony roślin,
elektrochemiczny
Przemysł galwanizerski, garbarski, impregnacji drewna,
Cr włókienniczy, produkcji barwników i tworzyw sztucznych,
zakłady drukarskie i graficzne
Przemysł metalurgiczny, farbiarski, tekstylny, produkcja
Cu
środków ochrony roślin i nawozów
 Produkcja baterii, kwasu fosforowego, sody kaustycznej,
Hg celulozowni, produkcja środków ochrony roślin i wytwarzania
rtęci metalicznej
Przemysł galwanizerski, papierniczy, rafinerie, stalownie,
Ni
fabryki nawozów sztucznych
Produkcja baterii, farb, przem. tekstylny, tworzyw sztucznych,
Zn
stabilizatorów polimerów, zakłady drukarskie i graficzne
Produktem oczyszczania ścieków są osady ściekowe, w których stężenie metali
ciężkich jest wielokrotnie wyższe niż w ściekach.
Zanieczyszczenie gleb jest wynikiem emisji pyłów pochodzących z: operacji
przemysłowych, energetyki, motoryzacji. Mogą je powodować odpady: przemysłowe,
komunalne i osady ściekowe, stosowane do nawożenia oraz środki ochrony roślin.
Metale ciężkie wchodzić mogą w reakcje chemiczne ze składnikami gleby, tworząc
jako formy słabo rozpuszczalne. Część z nich może być pobierana jest przez rośliny,
podstawowe ogniwo łańcucha pokarmowego.
W atmosferze obecność metali ciężkich warunkowana jest przede wszystkim
emisją pyłów pochodzących z przemysłu, motoryzacji i energetyki. Obecność metali
w atmosferze ulega szybkiej migracji i zmianom. Pyły opadają i kumulują się w glebie
i wodzie, wchodzą w reakcje ze składnikami gleb, wód.
Niektóre metale ciężkie należące do grupy pierwiastków śladowych, występując
w środowisku w swym naturalnym stężeniu, spełniają pozytywne działanie. Określa
siÄ™ je mianem mikroelementu. KatalizujÄ… one wiele reakcji biochemicznych,
zachodzÄ…cych w organizmach.
Wpływ metali na procesy biochemiczne organizmów jest różnorodny i
specyficzny. Uczestniczą w tworzeniu: krwinek czerwonych, hormonów, witamin,
procesów oddychania, utleniania i redukcji, fotosyntezy czy tworzenia pigmentów.
W zależności od własności chemicznych oraz miejsca w układzie okresowym,
niektóre metale ciężkie spełniają ważną rolę w przemianie materii, wchodzą w skład
układu kostnego i tkanek organizmów żywych, biorą udział podczas funkcjonowania
systemów nerwowych.
Metale ciężkie odgrywają też istotną rolę w procesach metabolizmu
mikroorganizmów, np. bakterii, biorąc udział w regulacji procesów biochemicznych,
stabilizowaniu struktur komórkowych czy katalizie reakcji enzymatycznych.
Występowanie różnych form chemicznych i fizycznych danego pierwiastka
nazywa się specjacją. Wśród pierwiastków, będących obiektem analizy specjacyjnej
są: Cd, Cr, Hg, Pb, As, Zn, Cu. Ma ona znaczenie, ponieważ nie każda forma, w
jakiej dany pierwiastek występuje, ma toksyczny wpływ na organizmy żywe. Metalom
ciężkim przypisuje się rolę stymulatorów lub czynników hamujących procesy życiowe.
W zależności od stężenia, stopnia utlenienia i łatwości tworzenia kompleksów metale
mogą stać się czynnikami toksycznymi dla wszystkich organizmów żywych
(drobnoustroje, rośliny, zwierzęta, ludzie).
Toksyczność metali ciężkich wynika nie tylko ze stopnia skażenia
środowiska, ale także z ich biochemicznej roli, jaką spełniają w procesach
metabolicznych oraz ze stopnia wchłaniania i wydalania ich przez organizmy żywe.
Rośliny są głównym odbiorcą składników mineralnych z gleby, wód, w tym
niebezpiecznych metali a jednocześnie głównym ich z
ródłem w pożywieniu ludzi i
zwierząt. Zagrożenie ze strony metali ciężkich polega głównie na wchodzeniu ich do
łańcucha pokarmowego. Przechodzenie metali ciężkich do wyższych ogniw łańcucha
pokarmowego jest uzależnione od naturalnych barier biologicznych.
Szczególnie niebezpieczne dla środowiska i organizmów żywych są: Cd, Pb,
Hg, Cr, As, Zn, Cu.
Kadm  jest  truciznÄ… kumulujÄ…cÄ… siÄ™ w organizmie. Organami docelowymi
gdzie deponowany jest ten pierwiastek sÄ… wÄ…troba i nerki. Kadm narusza przemiany
metaboliczne wapnia, magnezu, żelaza, cynku i miedzi. Wypłukiwanie wapnia przez
kadm ze szkieletu i innych narządów powoduje deformację i łamanie kości,
uszkodzenia narządów wewnętrznych. Zatrucie kadmem powoduje bóle i zanik
mięśni, niedokrwistość, nadciśnienie tętnicze, uszkodzenia wątroby, nerek i płuc.
Jego nadmiar może być przyczyną powstawania nowotworów, zwłaszcza nerek i
gruczołu krokowego.
Chrom  w niskich stężeniach i na III stopniu utlenienia jest pierwiastkiem
niezbędnym dla funkcjonowania organizmu żywego. W wyższych stężeniach może
wywołać poważne zmiany immunologiczne w organizmach ssaków. Chrom(VI)
cechuje się wysoką toksycznością, wykazuje też działania kancerogenne, najczęściej
powoduje raka płuc.
Rtęć  i jej związki mogą wywoływać gwałtowne objawy zatrucia. Wchłaniane
ich w niewielkich dawkach powoduje systematyczne kumulowanie siÄ™ w organizmie.
Najłatwiej wchłaniane są alkilowe związki, które są najbardziej szkodliwe, ponieważ
szybko przedostają się do komórek nerwowych. Toksyczne działanie tego
pierwiastka polega na jego wiązaniu z białkami, zmianie w działaniu hormonów,
enzymów, hemoglobiny i białych ciałek krwi. Ma też działanie kancerogenne.
Ołów  jego szkodliwość dotyczy m.in. obniżenia poziomu inteligencji,
upośledzenia słuchu, zaburzenia rozwoju fizycznego i umysłowego, a czasem
prowadzi do śmierci. Zmiany spowodowane nadmiarem ołowiu we krwi są
nieodwracalne w okresie rozwojowym każdego organizmu. Ołów odkłada się głównie
w nerkach i tkance kostnej.
Arsen  jest czynnikiem kancerogennym. Niebezpieczne dla człowieka związki
arsenu(III) przedostają się do organizmu człowieka przez układ oddechowy i
pokarmowy. Może powodować też: upośledzenia słuchowe u dzieci, poronienie
samoistne, wady wrodzone u dzieci.
Cynk - będąc składnikiem różnych enzymów, spełnia wiele podstawowych
funkcji w organizmach. Jego szkodliwość jest najczęściej związana z wywołaniem
wtórnego deficytu. Niedobór cynku prowadzi u ludzi do karłowatości, zmniejsza
tempo krzepnięcia krwi, gojenia się ran i zapaleń skóry. Nadmiar cynku uważa się za
jednÄ… z przyczyn zmian nowotworowych.
Miedz
 i jej szkodliwy wpływ na organizm człowieka wiąże się z nadmiarem
tego pierwiastka w diecie, co może prowadzić do zatruć chemicznych. Wywołuje
różne zmiany metaboliczne, uszkadza wątrobę, nerki, tkanki mózgowe, naczynia
wieńcowe i serce.
Szkodliwy wpływ metali ciężkich na organizmy żywe oraz środowisko ich
bytowania, jest niepodważalny. Dlatego też należy podjąć działania w celu:
- wyeliminowania emisji (jeśli istnieje taka możliwość),
- ograniczenia emisji,
- zminimalizowania negatywnych skutków.
Ekspansywna gospodarka człowieka sprawiła, że w ciągu ostatnich dwustu
latach zapotrzebowanie na metale, w tym na metale ciężkie, wzrosło do tego stopnia,
że zasoby niektórych z nich w krótkim czasie wyczerpią się. Nie znaczy to jednak, że
znikną całkowicie. Zmieni się miejsce ich występowania, stężenie oraz stopień
oddziaływania na organizmy żywe. Zwykle raz użyte, z punktu widzenia środowiska,
są niczym więcej niż odpadem.
Zakłady przemysłowe, w których powstają ścieki zawierające m.in. metale
ciężkie, powinny posiadać instalacje do ich podczyszczania, zanim skierowanie
zostaną do odbiornika. Oczyszczanie izolowanych strumieni ścieków jest bardziej
efektywne, aniżeli wymieszanych w kanalizacji ogólnospławnej.
W ostatnich dwudziestu latach obserwuje się u ludzi wzrost świadomości w
zakresie ogromnego marnotrawstwa surowców naturalnych, w tym metali ciężkich,
jak i ich negatywnego wpływu na organizmy żywe i środowisko, w którym one żyją.
Dlatego też zaczęto przykładać coraz większą wagę do tworzenia zintegrowanych
systemów ochrony środowiska. Obejmują one działania podejmowane na każdym
etapie produkcji, tzn.:
- wydobycie surowca,
- transport surowca do punktu przeróbki,
- przetwarzanie surowca,
- eksploatacja urządzeń procesu technologicznego,
- wykorzystanie produktu,
- zagospodarowanie surowców wtórnych, odpadów, ścieków i osadów ściekowych,
ograniczenie emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego,
zagospodarowanie zużytego produktu itp.
Na każdym etapie cyklu życia produktu (LCA) należy tak prowadzić działania,
aby ograniczyć lub całkowicie wyeliminować emisję szkodliwych substancji do
środowiska oraz zminimalizować powstawanie odpadów już w z
ródle.
Minimalizacja odpadów polega na zmniejszeniu szybkości wydobywania
surowców pierwotnych oraz takim prowadzeniu procesów produkcyjnych, aby
ograniczyć ilość surowców, energii i wody, przy jednoczesnym zminimalizowaniu
pozostałości poprodukcyjnych. Wytworzone produkty powinny, po okresie
normalnego użytkowania, nadawać się do odzysku jako surowce wtórne. Przykładem
na powtórne wykorzystanie może być aluminiowy i żelazny złom, który staje się
jednym z podstawowych z
ródeł surowców w przemyśle.
Lepsze opanowanie technologii produkcji, wykorzystania powstałych odpadów
oraz ich przeróbki i recyklingu dają podstawy systemu chroniącego środowisko przed
nadmiernie szkodliwym wpływem człowieka. Strategia gospodarki odpadami powinna
obejmować:
- unikanie ich powstawania, zmniejszenie ich ilości i szkodliwości,
- materiałowe i energetyczne wykorzystanie odpadów, przy czym pierwszeństwo
mają metody mniej szkodliwe dla środowiska.
Na wszystkich etapach produkcji przemysłowej, od pozyskania surowca do
produktu końcowego, powstają odpady: ścieki, osady ściekowe, odpady stałe,
gazowe i in. Mogą być one odprowadzone do środowiska bez oczyszczania tylko
wówczas, gdy ładunek zanieczyszczeń nie przekroczy zdolności samooczyszczania
odbiornika (atmosfera, rzeki, jeziora, grunty, i in.), a jego jakość będzie odpowiadać
obowiązującym przepisom prawnym. Najczęściej takie postępowanie wiąże się z
ogromnym zagrożeniem ekologicznym. Szczególne zagrożenie stanowią ścieki
przemysłowe. Zawierają one często substancje wywołujące w żywym organizmie
nieodwracalne zmiany. Takimi substancjami są metale ciężkie. Dodatkowo może
następować zjawisko synergizmu, czyli wzmożonego działania kilku czynników.
Stopień, w jakim należy oczyścić ścieki, obliczany jest w odniesieniu do:
zawartości tlenu w odbiorniku, odczynu, zawartości zawiesin, substancji toksycznych
i innych wskaz
ników lub rodzajów zanieczyszczeń.
W zależności od rodzaju, postaci oraz stężenia usuwanych składników i
miejsca, gdzie będą kierowane oczyszczone ścieki, wyróżnia się różne metody
oczyszczania: mechaniczne, fizykochemiczne, biologiczne.
Ścieki zawierające metale ciężkie najczęściej oczyszcza się metodami:
chemicznymi (neutralizacja, redukcja i/lub utlenianie, strÄ…canie), fizyko-chemicznymi
(sorpcja, ekstrakcja, wymiana jonowa), elektrochemicznymi. Wybór metody zależny
jest do: rodzaju ścieków, składu, postaci i stężenia usuwanych składników i
wymaganego stopnia oczyszczenia .
Ekstrakcję stosuje się najczęściej w przypadkach, gdy zależy nam na
wydzieleniu określonego składnika z mieszaniny i otrzymania go w czystej postaci.
Metody ekstrakcyjne są proponowane głównie do oczyszczania ścieków
galwanicznych.
Neutralizację prowadzi się w celu osiągnięcia określonego przepisami odczynu
pH, przy zastosowaniu określonych reagentów (kwasy, zasady). W zależności od
składu ścieków i stosowanego reagenta, procesowi neutralizacji może towarzyszyć
chemiczne współstrącanie i strącanie wodorotlenków metali ciężkich.
Chemiczne strącanie prowadzi najczęściej do wytrącenia wodorotlenków
metali ciężkich. Strącanie poszczególnych metali zależy ściśle od wartościach pH. W
przypadku roztworów jednoskładnikowych ilość jonów metali ciężkich pozostałych w
ściekach zależy od iloczynu rozpuszczalności wodorotlenków. Na skuteczne
wytrącenie kationów metali z roztworu ma wpływ wiele czynników: rodzaj
neutralizującego reagenta, skład i stężenie substancji rozpuszczonych, szybkość
mieszania. W przypadku występowania w roztworze kilku jonów metali ciężkich
stosowana dawka środka neutralizującego jest wypadkową zapotrzebowania na
strącenie poszczególnych jonów.
Utlenianie/redukcja to procesy wykorzystywane w oczyszczaniu m.in. ścieków
galwanicznych, np. redukcja silnie toksycznego chromu Cr(VI) do Cr(III), a następnie
wytrÄ…canie Cr(OH) .
3
Wymiana jonowa jest to proces, w którym wykorzystuje się wymieniacze
jonowe zwane jonitami. Są to substancje wielkocząsteczkowe, wykazujące zdolności
do wymiany własnych jonów na jony w otaczającym je roztworze. W zależności od
tego, czy wymieniane są kationy czy aniony, wyróżnia się kationity i anionity.
Proces ten wykorzystuje się także do oczyszczania ścieków pogalwanicznych.
W przypadku kwaśnych ścieków chromianowych klasyczny schemat odzysku kwasu
chromowego zakłada dekationizację na silnie kwaśnym kationicie wodorowym. Ma to
na celu całkowite wyeliminowanie kationów metali ciężkich zawartych w roztworze:
Fe2+, Cu 2+ , Ni2+ , Zn2+ , Al3+ ,Cr3+ . Kolumny jonitowe powinny być poprzedzone
filtrami piaskowo-żwirowymi w celu usunięcia z wody zanieczyszczeń mechanicznych
oraz filtrów z węglem aktywnym w celu adsorpcji związków organicznych, które
mogłyby nieodwracalnie zanieczyścić żywice jonowymienne.
Procesy membranowe polegają na rozdzielaniu składników mieszaniny w
wyniku jej przepływu przez warstwę porowatą, czyli membranę. Rodzaj procesu
membranowego zależy od rodzaju siły napędowej i wielkości rozdzielanych cząstek.
Zdolność pobierania zanieczyszczeń, w tym metali ciężkich, przez
mikroorganizmy stanowi podstawę procesów biotechnologicznych służących
ochronie środowiska. Do szeroko stosowanych metod biologicznych zalicza się
procesy przebiegające na złożu biologicznym oraz wykorzystanie osadu czynnego.
Złoże biologiczne tworzą mikroorganizmy zasiedlające błonę biologiczną na
materiale, przez który przesączają się ścieki. Ich rola polega na adsorbowaniu
zanieczyszczeń zawartych w ściekach i rozkładaniu ich w warunkach tlenowych.
Warunkiem odpowiedniej pracy złoża biologicznego jest:
- istnienie odpowiedniej ilości błony biologicznej,
- łatwy dostęp tlenu do całej objętości złoża.
Osad czynny jest wysoko wyspecjalizowaną biocenozą, na którą składają się
zarówno mikroorganizmy: bakterie, grzyby, pierwotniaki, jak i zwierzęta tkankowe,
takie jak wrotki i nicienie. Przyjmuje się, że najbardziej istotnym składnikiem osadu
czynnego są bakterie. Efektywność oczyszczania zależy w dużej mierze od
aktywności tych organizmów. Ta szczególna ich rola związana jest przede wszystkim
z bardzo korzystnym stosunkiem powierzchni komórek bakteryjnych do ich objętości,
a tym samym dużą powierzchnią czynną.
Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego polega na zatrzymaniu na
powierzchni mikroorganizmów zanieczyszczeń, a następnie ich mineralizacji w
warunkach tlenowych - napowietrzanie osadu czynnego. Oddzielenie osadu od
oczyszczanych ścieków następuje w osadnikach wtórnych, gdzie następuje
sedymentacja osadu i klarowanie ścieków. Osad z osadnika może podlegać
recyrkulacji lub jest usuwany jako osad nadmierny. Może być też poddawany dalszej
przeróbce np. do celów rolniczych lub do produkcji biogazu.
Efektywność oczyszczania zależy przede wszystkim od:
- aktywności fizjologicznej mikroorganizmów,
- kontaktu pomiędzy ściekami a osadem czynnym,
- odpowiedniej ilości soli pokarmowych w ściekach,
- pH ścieków .
Metoda osadu czynnego znalazła bardzo szerokie zastosowanie w oczyszczaniu
ścieków zawierających w swym składzie wiele toksycznych substancji, nie tylko
metali ciężkich.
Mikroorganizmy wykorzystywane w procesach usuwania metali ciężkich
Przy wykorzystywaniu metod mikrobiologicznych stosowane sÄ… szczepy
mikroorganizmów charakteryzujące się dobrą zdolnością namnażania nawet w
niekorzystnych warunkach środowiskowych. Zastosowanie mają również mieszane
populacje drobnoustrojów. Do mikroorganizmów, dzięki którym możliwe jest
usuwanie metali ze ścieków, osadów ściekowych, odpadów stałych czy terenów nimi
skażonych, zalicza się:
- bakterie,
- drożdże,
- promieniowce,
- pleśnie,
- grzyby (bez kapeluszowych),
- glony (bez plechowych).
Bakterie są najliczniej reprezentowaną grupą mikroorganizmów w procesach
biosorpcji metali. Należą one do Królestwa Procaryota. Występują praktycznie
wszędzie: w wodach, ściekach, powietrzu, glebie, organizmach roślinnych i
zwierzęcych.
Charakteryzują się znaczną rozpiętością rozmiarów (od jednego do kilku
mikrometrów) i kształtem (kuliste, cylindryczne, spiralne). Wśród kulistych bakterii
wyróżnia się: gronkowce (Staphylococcus), dwoinki (Diplococcus), paciorkowce
(Streptococcus), ziarniaki czworacze (Tetracoccus), sześcianki (Sarcina). Formy
cylindryczne reprezentowane są przez: pałeczki (Bacterium), laseczki (Bacillus),
maczugowce (Corynebacterium), prÄ…tki (Mycobacterium). Do spiralnych bakterii
zaliczyć można: przecinkowce (Vibrio), śrubowce (Spirillum), krętki (Treptonema). Ich
cechą charakterystyczną jest brak jądra otoczonego błoną jądrową, mitochondriów
oraz jąderka i białek histonowych, a podwójna nić DNA styka się bezpośrednio z
plazmÄ….
Strukturami anatomicznymi występującymi w każdej komórce bakteryjnej są:
nukleoid i plazmidy, rybosomy, błona cytoplazmatyczna, a u większości bakterii 
ściana komórkowa i mezosomy. U niektórych gatunków występują też: rzęski,
fimbrie, zewnątrzkomórkowe polimery, wtręty cytoplazmatyczne. Ze względu na
istotną rolę, jaką pełnią osłony komórek bakteryjnych w procesie usuwania metali
ciężkich ze ścieków, osadów ściekowych czy w innych procesach technologicznych,
przedstawiona zostanie charakterystyka rodzaju tych osłon.
Osłony komórki bakteryjnej są utworzone z:
- błony cytoplazmatycznej,
- ściany komórkowej
- polimerów, występujących u bakterii zewnątrzkomórkowych.
Błona cytoplazmatyczna składa się z dwóch nieprzepuszczalnych dla
elektronów warstw białek przedzielonych warstwą fosfolipidów. Udział fosfolipidów
w masie błony komórkowej stanowi 40%. Każda cząsteczka fosfolipidów zawiera
część polarną zbudowaną z grupy fosforanowej i glicerolu (ma ona hydrofilowy
charakter a więc jest rozpuszczalna w wodzie) oraz część niepolarną zbudowaną z
kwasów tłuszczowych (wykazuje hydrofobowy charakter i jest nierozpuszczalna w
wodzie).
Białka występujące w błonie cytoplazmatycznej dzieli się na:
- białka peryferyczne, przylegające do warstwy lipidowej po stronie
wewnętrznej i zewnętrznej, słabo z nią związane,
- białka integralne wnikające w głąb warstwy lipidowej, silnie z nią związane;
białka te to permeazy oraz białka uczestniczące w transporcie
wykorzystujÄ…cym system grup translokacyjnych [26].
Do podstawowych funkcji błony cytoplazmatycznej należy:
- transport substancji pokarmowych i innych do komórki i wydalanie zbędnych
produktów metabolizmu,
- udział w procesach oksydacyjno-redukcyjnych,
- wydzielanie enzymów hydrolitycznych rozkładających makrocząsteczki na
mniejsze,
- uczestniczenie w syntezie ściany komórkowej.
Ściana komórkowa bakterii gramdodatnich zbudowana jest mureiny i
kwasów tejchojowych. Pod względem chemicznym mureina jest polimerem
zbudowanym z powtarzajÄ…cych siÄ™ jednostek utworzonych z N-acetyloglukozoaminy
oraz kwasu N-acetylomuraminowego, połączonych wiązaniem beta-1,4-
glikozydowym. Do każdej cząsteczki przyłączone są krótkie boczne łańcuchy
peptydowe, które mogą być połączone ze sobą poprzecznymi mostkami
peptydowymi. Mureina w ścianach bakterii gramdodatnich tworzy struktury
wielowarstwowe i może stanowić 90% materiału ściany komórkowej. Kwasy
tejchojowe są z kolei polimerami składającymi się z powtarzających się jednostek
glicerolu lub rybitolu, połączonych wiązaniem fosfodiestrowym. Są one powiązane z
mureiną lub błoną cytoplazmatyczną za pomocą wiązań kowalencyjnych.
Ściana komórki bakterii gramujemnych zbudowana jest z kilku warstw:
mureiny, lipoproteiny, błony zewnętrznej. Mureina składa się tylko z jednej do
maksymalnie trzech warstw, stanowiąc 5-20 % materiału ściany komórkowej i jest
mniej usieciowana poprzecznie. Lipoproteina wiąże błonę zewnętrzną z mureiną.
Część białkowa lipoproteiny połączona jest wiązaniem peptydowym z bocznym
łańcuchem peptydowym mureiny, a część lipidowa związana jest z lipidami błony
zewnętrznej.
Błona zewnętrzna bakterii składa się z białek, fosfolipidów i
lipopolisacharydów. Nie zawiera kwasów tejchojowych (typowych dla bakterii
gramdodatnich). Błona zewnętrzna jest w małym stopniu przepuszczalna dla
substancji o charakterze hydrofilowym. Część rzeczywistej przepuszczalności tej
błony zależy od jej białek.
Białka błony zewnętrznej, które uczestniczą w transporcie do komórki, zwane
są porynami. Przez nie mogą dyfundować różnego rodzaju substancje. Dzieli się je
na:
- poryny specyficzne, które umożliwiają przechodzenie ściśle określonych
substancji
- poryny niespecyficzne umożliwiające przepuszczanie cząsteczek o
określonej wielkości i hydrofilowym charakterze.
Fosfolipidy stanowią wewnętrzną warstwę błony zewnętrznej. Lipopolisacharyd
- charakterystyczny składnik dla bakterii gramujemnych, umiejscowiony jest w
zewnętrznej warstwie błony. Zbudowany jest z trzech składników: lipidu A, wielocukru
rdzeniowego i O-swoistego łańcucha cukrowego.
Bakterie gramdodatnie i gramujemne mogą syntetyzować i wydzielać
substancje o charakterze polimerów. Polimery tworzące zbitą warstwę ściśle
otaczającą komórkę i ściśle z nią związaną nazywa się otoczką. Gdy polimery
tworzÄ… warstwÄ™ luz
no związaną z komórką, przybierając formę włókienek
sterczących na zewnątrz komórek, nazywa się je glikokaliksem. Jeżeli polimery są
całkowicie odłączone od komórki bakteryjnej, ale ją otaczają, nazywa się je warstwą
śluzową. Polimery te mogą być: polisacharydami, polipeptydami lub polisacharydo-
polipeptydami. Polisacharydy zbudowane są z: cukrów, aminocukrów i kwasów
uronowych. Funkcje i właściwości zewnątrzkomórkowych polimerów są różnorodne i
zależą w dużym stopniu od sposobu ich ukształtowania wokół komórki. Egzoplimery
poza ochroną komórki przed wysychaniem i szkodliwymi czynnikami, wpływają także
na przechodzenie związków chemicznych do jak i z komórki.
Usuwanie metali ciężkich przez mikroorganizmy wynika z mechanizmów:
- powierzchniowego wiÄ…zania metali przez reaktywne polimery i makroczÄ…steczki
występujące w osłonach komórkowych,
- wewnątrzkomórkowego wiązania metali.
Oporność drobnoustrojów na metale ciężkie wynika z obecności systemów
komórkowych umożliwiających wydalanie metali na zewnątrz, bioakumulację lub
przemiany enzymatyczne prowadzÄ…ce do powstawania mniej toksycznych form
metali. Usuwanie metali z udziałem mikroorganizmów jest określana mianem
biosorpcji. Jest to proces, który polega na:
- wiązaniu jonów metali przez grupy reaktywne biopolimerów występujących w
osłonach komórkowych mikroorganizmów,
- zatrzymaniu na powierzchni nierozpuszczalnych wodorotlenków, soli lub
kompleksów metali,
- reakcji chemicznych z wydzielanymi na zewnÄ…trz metabolitami,
- tworzeniu nierozpuszczalnych związków metali, a następnie ich gromadzeniu i
krystalizacji w obrębie osłon komórkowych.
Mechanizmy usuwania metali ciężkich przez mikroorganizmy
a) Powierzchniowe wiązanie metali zależy głównie od składu chemicznego
osłon, a w szczególności od:
- rodzaju i liczebności dostępnych ligandów,
- ich rozmieszczenia przestrzennego,
- powinowactwa chemicznego do metalu.
Osłony komórkowe mają charakter anionowy, a wiązanie metali może być
skutkiem adsorpcji jonowymiennej, przyciÄ…gania elektrostatycznego bÄ…dz
reakcji
chemicznych. Główną rolę w procesach zewnątrzkomórkowego wiązania metali
przez drobnoustroje odgrywajÄ… procesy:
- wymiany jonowej,
- tworzenia trwałych kompleksów.
W procesach wymiany jonowej biorą udział grupy funkcyjne polimerów i
makrocząsteczek komórkowych, a w szczególności grupa karboksylowa i
fosforanowa. Grupy karboksylowe występują licznie w białkach ściany komórkowej,
odpowiednio podstawionych mono- i polisacharydach. Fosforany występują w
polisacharydach komórkowych, lipoproteinach i lipopolisacharydach.
b) Tworzenie trwałych kompleksów to mechanizm zewnątrzkomórkowego
wiązania metali. Ujemnie naładowane grupy: karboksylowa i hydroksylowa oraz
posiadajÄ…ca wolnÄ… parÄ™ elektronowÄ… grupa aminowa, Å‚atwo tworzÄ… kompleksy z
elektrododatnimi jonami metali, jak: Al3+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Ti 2+, Zn2+ , Sn2+.. IstotnÄ…
rolę białek w procesach sorpcji metali potwierdzają liczne badania. Obniżając
zawartość białka w stosunku do węglowodanów w ścianie komórkowej u
Saccharomyces cerevisiae, nastąpiło obniżenie sorbowanej miedzi o 30%. Białka
odgrywajÄ… natomiast mniejsze znaczenie w przypadku wiÄ…zania takich metali jak
kadm i nikiel. Istotną rolę w procesie wiązania kadmu ma chityna, składnik ściany
komórkowej u grzybów.
Z kolei mannan - jeden z głównych składników ściany komórkowej drożdży
charakteryzował się największą zdolnością sorpcji miedzi i kobaltu.
Badania czterech szczepów bakterii: Bacillus cereus, Bacillus subtilis,
Escherichia coli i Pseudosomonas aureginosa pod kÄ…tem sorpcji takich metali jak:
kadm, miedz
, srebro, lantan dowiodły, że gramujemne bakterie (Escherichia coli,
Pseudosomonas aureginosa) usuwały kadm z większą efektywnością niż bakterie
gramdodatnie (Bacillus subtilis, Bacillus cereus). Z kolei miedz
była najefektywniej
usuwana przez Bacillus subtilis.
c) Wewnątrzkomórkowe wiązanie metali ciężkich
Różnice w zdolności wiązania metali przez bakterie gramdodatnie i
gramujemne wynikają głównie ze zróżnicowanego składu chemicznego ścian
komórkowych.
Tabela 2. Biosorpcja metali przez mikroorganizmy
Symbol Rodzaj/ gatunek
Metal Piśmiennictwo
Metalu Mikroorganizmu
Pseudosomonas aureginosa [35]
Hg rtęć
Srteptomyces clavuligerus [36]
Pseudosomonas aureginosa
[35]
(żywe i martwe komórki)
Bacillus sp. [37]
Alcaligenes sp. [37]
Aspergillus sp. [38]
Pb ołów
Fucus vesiculosus [39]
Ascophyllum nodosum [39]
Sargassum sp. [39]
Rhisopus nigricans [40]
Pseudosomonas aureginosa [41]
Ascophyllum nodosum [42]
Phanerochaete chrysosporium [43]
Saccharomyces cerevisiae [44]
Cu miedz

Penicillinum chrysogenum [36]
Streptomyces rimosus [45]
Eclonia maxima [46]
Enterobacter cloacae [47]
Klebsiella pneumoniae [47]
Pseudosomonas sp. [47], [36]
Cd kadm
Proteus mirabilis [47]
Proteus vulgaris [47]
Sargassum [48]
Streptomyces rimosus [ 45]
Ni nikiel
Fusarium flocciferum [49]
Eclonia maxima [46]
Zn cynk Aspergillus oryzae [50]
Przyjmuje się, że gramdodatnie bakterie efektywniej wiążą metale w
porównaniu z gramujemnymi. Zdaniem niektórych badaczy gramujemne bakterie
wiążą około dziesięciokrotnie mniej metali ciężkich niż gramdodatnie.
Zdolność bakterii gramdodatnich do efektywniejszego wiązania metali wiąże się
z obecnością mureiny (peptydoglikanu), która u tych bakterii składa się z
kilkudziesięciu warstw (u gramujemnych tworzy ona od jednej do trzech warstw).
Wiązanie jonów przez mureinę ma charakter jonowy.
Kwasy tejchojowe, drugi obok mureiny budulec ścian komórkowych bakterii
gramdodatnich, ze względu na wysoką zawartość fosforanów, posiadają silnie
kwasowy charakter. W dużej mierze odpowiada to za ujemny ładunek powierzchni
komórek gramdodatnich.
Ważną rolę w powierzchniowym wiązaniu metali pełnią też otoczki i warstwy
śluzowe. Większość z nich składa się z polimerów obojętnych cukrów, kwasów
(uronowego, pirogronowego, octowego) oraz polipeptydów. Nadają one
egzopolimerom anionowy charakter wynikajÄ…cy z przewagi grup elektroujemnych i
pozwala na wiązanie znacznych ilości kationów metali. Egzopolimery efektywnie
usuwają kadm z roztworów wodnych.
d) Wewnątrzkomórkowe wiązanie metali ciężkich
Metale ciężkie są usuwane z wód, ścieków, osadów ściekowych czy terenów
nimi zanieczyszczonych przez mikroorganizmy w wyniku procesów związanych z ich
metabolizmem komórkowym. Wśród takich procesów metabolicznych wyróżnić
można:
- pozakomórkowe wydzielanie przez mikroorganizmy substancji nieorganicznych
lub organicznych, reagujących z występującymi w roztworze metalami,
powodujących zmianę odczynu, w wyniku czego tworzą się związki o małej
rozpuszczalności,
- biotransformacjÄ™ polegajÄ…cÄ… na biologicznym utlenianiu lub redukcji metalu w
wyniku czego usuwanie metalu jest skutkiem jego przechodzenia z form
rozpuszczalnych w mniej rozpuszczalne,
- biotransformację rozpuszczalnych form metali do lotnych związków
organopochodnych czy czystego pierwiastka (np. rtęci), które następnie mogą
być uwalniane do atmosfery,
- wewnątrzkomórkowe pobieranie i wytrącanie metali.
Wpływ pH środowiska
Podczas wzrostu wielu gatunków mikroorganizmów ulega zmianie odczyn pH
środowiska. Przykładem może być wzrost bakterii z rodzaju Citrobacter czy
Pseudosomonas na pożywkach organicznych, który powoduje podwyższenie pH.
Zmiana odczynu powoduje przesunięcie równowagi chemicznej pomiędzy formami
metali występującymi w roztworze, a pośrednio ma wpływ na powinowactwo
adsorpcyjne metalu do otoczek i ścian komórkowych. W środowisku alkalicznym
tworzą się słabo rozpuszczalne związki metali, podczas gdy w środowisku kwaśnym
dominują rozpuszczalne formy, w których metal występuje w formie jonowej.
Zdolność zmiany odczynu przez mikroorganizmy zależy w dużej mierze od podłoża,
na którym są namnażane. Mechanizm zwiększonego usuwania kadmu z roztworu z
udziałem Alcaligenes denitrificans, jest związany ze zdolnością tego gatunku do
silnej alkalizacji środowiska w wyniku denitryfikacji.
Wpływ wydzielanych metabolitów
Inny mechanizm, stymulujÄ…cy usuwanie z roztworu, metali jest zwiÄ…zany z
wydzielaniem organicznych oraz nieorganicznych metabolitów. Niektóre wydzielane
pozakomórkowo kwasy organiczne czy niskocząsteczkowe białka łatwo przyłączają
kadm. Powstające kompleksy są deponowane następnie w obrębie błon lub ściany
komórkowej, dzięki czemu zachodzi jego usuwanie z roztworu. Niektóre gatunki
mikroorganizmów redukują siarczany do siarkowodoru dzięki obecności reduktaz
występujących w białkach błonowych. Umożliwia to wytrącenie metali w postaci
nierozpuszczalnych siarczków np. srebra, kadmu, niklu czy miedzi.
Wysoka efektywność usuwania kadmu osiągana jest przy użyciu Citrobacter
sp. Bakterie te rosnąc na podłożach zawierających fosfoglicerol lub inne organiczne
fosforany, wytwarzają specyficzny enzym - kwaśną fosfatazę. Enzym ten
zlokalizowany jest na powierzchni komórek i odpowiada za hydrolizę substratu,
2-
wskutek czego uwalniane są jony HPO . Usuwanie metalu polegało na ich reakcji z
4
2-
jonami HPO i wytrącaniu nierozpuszczalnych MeHPO na powierzchni komórek.
4 4
Wpływ procesów biologicznego utleniania  redukcji
Przemiany enzymatyczne w transformacjach metali to procesy utleniania-
redukcji oraz metylacji i demetylacji, prowadzące do zmiany formy występowania, a
często do detoksykacji środowiska.
Arsen może zostać utleniony do As(V) przy udziale oksydaz, a ten jest z kolei
mniej toksyczny oraz łatwiej strącany przez fosforany, wapno czy chlorek żelaza(III).
Jednym ze sposobów usuwania chromu(VI) z roztworu jest zdolność wykorzystania
go przez mikroorganizmy jako akceptora elektronów, dzięki czemu następuje jego
redukcja do Cr(III). Do bakterii redukujących chromiany zaliczyć można Enterobacter
cloacae. Do usuwania rtęci wykorzystuje się szczep Aeromonas hydrophila. Proces
ten przebiega dwuetapowo:
- redukcja jonowej formy rtęci do rtęci metalicznej przez system reduktaz,
- gromadzenie rtęci na zewnątrz komórek.
Akumulacja
Z metabolizmem komórkowym związany jest proces bioakumulacji metali.
Zależna od metabolizmu komórkowego kumulacja metali jedno- i
wielowartościowych odbywa się przez systemy transportowe. Obecność metali
ciężkich w środowisku indukuje u mikroorganizmów syntezę specyficznych białek 
metalotionein. Są to politiolowe polipeptydy zawierające znaczne ilości (do 30%)
cysteiny. U glonów i wyższych roślin wykryto fitochelatyny  polipeptydy wiążące
metale.
Bogata w reszty tiolowe metalotioneina zdolna jest do wiÄ…zania takich metali
jak: Zn, Cu, Ag, Sn, Hg, Cd. Po zwiÄ…zaniu z metalotioneinÄ… nie mogÄ… siÄ™ one
związać z innymi ważnymi funkcjonalnie białkami, co obniża ich toksyczność.
Synteza metylotioneiny w komórkach indukowana jest obecnością metali i cysteiny.
Zdolność usuwania miedzi i kadmu przez mikroorganizmy rosnące na podłożu z
cysteiną była odpowiednio o 38 i 88% większa w porównaniu z próbą kontrolną.
Fitochelatyny- to białka, które są indukowane przez rośliny i glony podczas ich
kontaktu z wysokim stężeniem metali w środowisku.
Metale mogą być też wiązane w komórkach w postaci granul polifosforanowych
np. z kadmem. Drożdże wiążą metale wewnątrz komórek w postaci
niskocząsteczkowych polifosforanów w wakuolach lub w postaci granulek.
Bioremediacja
Bioremediacja metali to technologia usuwania metali (głównie z gruntu i wód
gruntowych), wykorzystująca żywe mikroorganizmy do katalizowania destrukcji lub
transformacji związków metali w formy mniej szkodliwe.
Zasadnicze procesy wchodzące w skład technologii bioremediacji to:
- monitoring naturalnego procesu biodegradacji  bioremediacja
podstawowa,
- przeprowadzenie modyfikacji środowiskowej np.: dostarczenie pożywek dla
mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu poddawanego bioremediacji 
biostymulacja,
- wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów  bioaugmentacja.
Podczas gdy konwencjonalne technologie oczyszczania gruntów wymagają
transportu dużych ilości gruntu skażonego substancjami toksycznymi, tj. metalami
ciężkimi, bioremediacja posiada tę zaletę, że może być zastosowana w miejscu
skażenia (in situ) i nie wymaga zastosowania żadnych skomplikowanych urządzeń.
Stosowana bywa również metoda (ex situ), wymagająca przemieszczenia np.
zanieczyszczonego gruntu w inne miejsce, gdzie będzie odbywał się proces
usuwania zanieczyszczeń.
Biodegradacja przy użyciu mikroorganizmów może odbywać się w środowisku
aerobowym (zachodzi przy znacznej ilości tlenu) lub anaerobowym (bez dostępu
tlenu).
Do elementów, które mają wpływ na przebieg bioremediacji, należą: ilość
dostępnego tlenu, wody, pH, obecność pożywek, temperatura.
Procesy bioremediacji
Bioremediacja podstawowa
Bioremediacja podstawowa to proces podczas którego jedynie naturalne
mikroorganizmy skażonego terenu są wykorzystywane do obniżenia stężenia metali
ciężkich w gruncie do bezpiecznego poziomu, w określonych i akceptowalnych
ramach czasowych . Jeżeli tylko okoliczności są sprzyjające, to metoda ta znajduje
zastosowanie, gdyż nie wymaga dodatkowej interwencji, poza monitorowaniem
naturalnego procesu biodegradacji skażenia.
Biostymulacja
Stymulację mikroorganizmów naturalnie występujących na skażonym terenie
stosuje się zazwyczaj w celu przyspieszenia procesu bioremediacji zanieczyszczeń z
gleby. Do powszechnie znanych czynników ograniczających naturalny proces
biodegradacji należą: skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie,
niedobór tlenu, niekorzystne pH, niedobór substancji mineralnych, zbyt niska
wilgotność oraz niekorzystna temperatura.W celu zwiększenia tempa procesu
naturalnej biodegradacji można zastosować różne metody modyfikacji warunków
środowiskowych, przede wszystkim:
- natlenianie,
- dodawanie pożywek.
Natlenianie stosuje się w celu zwiększenia dostępności tlenu cząsteczkowego,
gdyż w sposób istotny wpływa ono na biodegradację różnych związków
chemicznych. Najczęściej stosowanymi metodami natleniania są:
- wentylacja (wtłaczanie powietrza pod zwiększonym ciśnieniem przez układ
przewodów  drenów umieszczonych w gruncie),
- stosowanie rozcieńczonych roztworów wody utlenionej,
- spulchnianie gruntu przez mechanicznÄ… uprawÄ™.
Tempo procesu biodegradacji może być limitowane przez ograniczone stężenie
substancji odżywczych. Głównymi czynnikami tej grupy są związki azotu i fosforu,
gdyż dostępność tych pierwiastków jest parametrem krytycznym dla procesu
bioremediacji. W warunkach, w których deficyt azotu i fosforu limituje efektywność
tego procesu, sztuczne wzbogacenie pożywkami rekultywowanego terenu,
najczęściej poprzez zastosowanie nawozów zawierających azot i fosfor, daje bardzo
dobre efekty w postaci znacznego przyspieszenia bioremediacji. Spośród
stosowanych nawozów wydzielić można trzy grupy: ciekłe nawozy hydrofobowe,
nawozy w fazie stałej i wodne roztwory nawozów.
Bioaugmentacja
Wzbogacenie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane, o
dużej zdolności biodegradacji zanieczyszczeń, bakterie stosuje się, gdy rodzima
populacja bakterii na skażonym terenie nie wykazuje pożądanej aktywności w
kierunku biodegradacji zanieczyszczeń. Technologię tę realizuje się przez
bezpośrednią iniekcję zawiesiny mikroorganizmów o pożądanej aktywności
katalitycznej wraz z substancjami odżywczymi do skażonego gruntu.
Elektrobioremediacja
Jest to nazwa grupy metod oczyszczania gruntów wykorzystujących zjawiska
mikrobiologiczne, chemiczne oraz elektrokinetyczne np. polem elektrycznym do
przyspieszenia procesów usuwania zanieczyszczeń ze środowiska.
Zalety i ograniczenia bioremediacji
Technologia ta polecana jest do szerokiego stosowania w walce z coraz
powszechniejszym problemem skażeń szczególnie gruntów i wód gruntowych.
Sprawdza się ona w różnych warunkach pogodowych i w zróżnicowanych formacjach
geologicznych. Coraz większą popularność bioremediacja zawdzięcza wymienionym
poniżej cechom:
- jest ekonomiczna (tańsza niż dotychczas stosowane metody oczyszczania
gruntów i wód gruntowych),
- proces likwidacji skażenia może być prowadzony in situ (w miejscu
skażenia, bez konieczności przemieszczania gruntu),
- grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po przeprowadzeniu procesu
oczyszczania,
- technologia ta nie wymaga z reguły stosowania kosztownej i
skomplikowanej aparatury.
Do ograniczeń w stosowaniu bioremediacji zaliczyć należy:
- rodzaj skażeń w stosunku do których można tę metodę zastosować,
- warunki panujące w miejscu, które należy poddać oczyszczeniu,
- czas, w którym zanieczyszczenie powinno zostać usunięte.
Metody biologiczne i ich zastosowanie muszą być poprzedzone rozległymi
badaniami mikrobiologicznymi, przy szczególnym uwzględnieniu wszystkich
elementów danego środowiska, mogącego mieć jakikolwiek wpływ na przebieg
remediacji.
Możliwości zastosowania bioremediacji
Metody te znajdują szczególne zastosowanie przy remediacji gruntów i wód
gruntowych skażonych głównie:
- produktami ropopochodnymi, benzenem, toluenem, ksylenem, paliwami
napędowymi, benzyną,
- produktami organicznymi, w tym trichloroetylenem,
- pestycydami,
- rozpuszczalnikami,
- środkami do impregnacji drewna.
Metoda ta jest również wykorzystywana w przypadku skażeń metalami ciężkimi.
Bioremediacja bardzo skutecznie została zastosowana na terenie byłej bazy
paliwowej oraz magazynowania rozpuszczalników w stanie Nowy Jork w USA.
Głównymi substancjami skażającymi grunt były: aceton, benzen, etanol,
trichloroetylen, ksylen oraz w niewielkim stopniu metale ciężkie (m.in.: ołów, rtęć).
Zanieczyszczenie obejmowało 3,2 ha powierzchni i sięgało na głębokość do 2m.
Wykorzystano tu napowietrzenie z równoczesnym wprowadzeniem dodatkowych
mikroorganizmów. Prace prowadzono osiem miesięcy i osiągnięto redukcję stężenia
do poziomu nieco poniżej dopuszczalnej normy.
Nauka o technologicznych i technicznych sposobach wykorzystywania
mikroorganizmów w procesach wydobycia, przetwórstwa rud metali oraz
biologicznych metodach ekstrakcji metali z roztworów, odpadów i terenów nimi
zanieczyszczonych nosi nazwÄ™ biohydrometalurgii. Ma ona charakter
interdyscyplinarny obejmujÄ…cy wiedzÄ™ z zakresu biochemii, geomikrobiologii, ekologii
mikroorganizmów i hydrometalurgii. Spośród stosowanych metod biohydrometalurgii
można wyróżnić:
- pozyskiwanie metali z rud metodami biologicznymi zastępując tradycyjne
metody pirometalurgiczne,
- wytwarzanie siarki z siarczanów,
- odsiarczanie paliw m.in.: węgla, ropy,
- oczyszczanie ścieków,
- unieszkodliwianie odpadów.
W oczyszczaniu ścieków i unieszkodliwianiu odpadów metody mikrobiologiczne
koncentrujÄ… siÄ™ na:
- ługowaniu metali z odpadów,
- biologicznej akumulacji,
- zatężania metali ze ścieków.
Usuwanie metali ze ścieków polega na:
- wiązaniu metali na powierzchni organizmów,
- regeneracji biomasy,
- usuwaniu (odzysku) metali z odcieku.
Etapy w procesie usuwania metali ciężkich
Biosorpcja
W wiązaniu metali na powierzchni mikroorganizmów (biosorpcji) mogą być
wykorzystywane:
- mikroorganizmy stanowiące produkt uboczny w przemyśle farmaceutycznym
czy fermentacyjnym, w procesach oczyszczania ścieków,
- mikroorganizmy hodowane i namnażane na specjalnych podłożach
i wykazujące zdolność do bardzo efektywnego wiązania metali czy ich
biotransformacji,
- biopreparaty, np.: AMT-BIOCLAM,
- sorbenty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego np.: kora bogata w taniny,
rośliny morskie, humus, torf mchowy, modyfikowana bawełna, wełna,
chityna, chitosan, alginian.
Zdolność osadu czynnego do sorbowania jonów metali ciężkich została
zaobserwowana i opisana przez Ruchoffa już w 1949 roku. Na proces ten mają
wpływ: obecność mikroorganizmów produkujących zewnątrzkomórkowe polimery i
białka wiążące metale oraz rodzaj ich osłon komórkowych, początkowe stężenie
metalu, odczyn, specyficzność mikroorganizmów w stosunku do metali obecnych w
ściekach. Usuwanie metali z roztworów wodnych przy udziale mikroorganizmów
zachodzi bardzo szybko. W ciÄ…gu pierwszych 10  15 minut sorpcji ma miejsce
usunięcie około 85  90% ilości metalu. Uważa się, że w początkowym etapie
wiązanie metali przez mikroorganizmy następuje głównie w wyniku procesów
fizykochemicznych, natomiast biologiczne mechanizmy transportu i
wewnątrzkomórkowej akumulacji tylko nieznacznie wspomagają ten proces.
Pomimo iż biosorpcja metali przebiega w złożony sposób, to wielu autorów do
interpretacji wyników badań usuwania metali z roztworów wodnych wykorzystywało
izotermy adsorpcji Freundlicha lub Langmuira. Izotermy adsorpcji przedstawiajÄ…
zależność między masą metalu zaadsorbowanego przez jednostkę masy adsorbentu
a równowagowym stężeniem metalu. Wyznaczone z równań Langmuira lub
Freundlicha stałe stanowią miarę efektywności testowanych biosorbentów.
Równanie Freundlicha może być wyrażone następująco:
Q = k · C n [73],
gdzie:
Q - masa sorbowanego metalu (mg/g s.m.)
C - stężenie adsorbowanej substancji w roztworze w stanie równowagi (mg/dmł)
k - stała adsorpcji określająca przewidywaną ilość adsorbowanej substancji na jednostkę masy
adsorbenta (mg/g s.m.),
n - współczynnik rozdziału określający stosunek ilości substancji zaadsorbowanej do ilości
pozostałej w roztworze w stanie równowagi (dmł/g s.m.).
Wg teorii Langmuira, na powierzchni adsorbentu znajdujÄ… siÄ™ miejsca aktywne,
w których adsorbują się cząsteczki adsorbatu. Po przyłączeniu adsorbatu powstaje
jednocząsteczkowa warstwa adsorpcyjna zwana monowarstwą. Ilość
zaadsorbowanej substancji zależy od pojemności adsorpcyjnej monowarstwy (stała
b) oraz powinowactwa adsorpcyjnego adsorbatu do adsorbenta (stała K).
Równanie adsorpcji Langmuira ma postać:
Q = b · K· C : (1 + K · C) [74],
gdzie:
Q - masa sorbowanego metalu (mg/g s.m.),
K - stała w równaniu Langmuira (dmł/g s.m.),
C - stężenie adsorbowanej substancji w stanie równowagi (mg/g s.m.),
b- maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy biosorbentu (mg/g s.m.).
Większość gatunków mikroorganizmów wykazuje zróżnicowane powinowactwo
adsorpcyjne oraz pojemność monowarstwy. Pojemność adsorpcyjna jest uważana
za jeden z głównych mierników przydatności mikroorganizmów do usuwania metali.
Inne ważne czynniki to:
- łatwość flokulacji bądz
unieruchomienia mikroorganizmów,
- stała efektywność usuwania metali w szerokim zakresie odczynu,
- sprawność usuwania metali,
- łatwość desorpcji i możliwość wielokrotnego użycia biosorbentów,
- koszty procesu.
Optymalny odczyn sorpcji zależy zarówno od rodzaju metalu jak
i adsorbentu.
Usuwanie metali ciężkich ze ścieków, zanieczyszczonych wód i osadów
ściekowych jest ograniczone przez duże koszty związane z oddzielaniem biomasy od
wody osadowej po procesie sorpcji oraz małą trwałość biomasy, uniemożliwiającą
wielokrotne użycie mikroorganizmów w kolejnych cyklach sorpcji i desorpcji.
Unieruchomienie organizmów utrudnia przechodzenie ich do ruchomej fazy
unoszącej substrat i produkt, pozwala na zwiększenie gęstości populacji
mikroorganizmów w reaktorze oraz na efektywniejsze oddzielanie biomasy od
roztworu. Wpływa też korzystnie na wytrzymałość i trwałość biomasy, a także na
wzrost możliwości jej wykorzystywania w procesach ciągłych. Do unieruchomiania
mikroorganizmów stosuje się metody pasywne i aktywne.
Do metod pasywnych należy zaliczyć:
- samoagregację, np. flokulację komórek lub ich adhezję,
- zasiedlanie na powierzchni nośników.
Wiele mikroorganizmów wykazuje zdolność wydzielania polimukosacharydów,
umożliwiających im wzrost w formie kłaczków lub granulek. Tworzeniu skupisk
sprzyja duża koncentracja biomasy w reaktorze. Zdolność komórek do wzajemnego
łączenia się i wzrostu biomasy w postaci granulek może być indukowana np. poprzez
stosowanie odpowiednich podłoży, regulację odczynu, temperatury czy tlenu w
czasie namnażania biomasy. Drobnoustroje rosnące w formie kłaczków czy granulek
charakteryzują się jednak małą wytrzymałością mechaniczną, co stanowi ich
ograniczenie przy wykorzystaniu.
Biomasę można poddawać usieciowaniu za pomocą środków chemicznych, tj.:
aldehydu glutarowego, diizocjanianów czy tetraazowanej benzydyny. Usieciowane
komórki mikroorganizmów tworzą trwałe, nierozpuszczalne agregaty, ale dodatek
środków chemicznych może powodować zmniejszenie aktywności biochemicznej
komórek.
Mikroorganizmy wykazują również zdolność zasiedlania powierzchni stałych -
nośników. Są nimi m.in.: żele krzemionkowe, tlenki metali, żywice jonowymienne,
kształtki szklane czy ceramiczne o odpowiedniej porowatości, koks, wióry drzew
liściastych i inne. Unieruchomianie mikroorganizmów na powierzchniach stałych
zachodzi na skutek elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy nośnikiem a
mikroorganizmami. Skutkiem tego zewnętrzna lub wewnętrzna powierzchnia nośnika
zostaje pokryta cienką warstewką (błoną) mikroorganizmów. Trwałość wiązań zależy
w dużym stopniu od odczynu, siły jonowej, temperatury i innych czynników
środowiskowych.
Procesy aktywne wymagajÄ… zastosowania metod chemicznych. Biomasa
unieruchamiana na wypełnieniach modyfikowanych ma większą zdolność do
tworzenia wiązań kowalencyjnych pomiędzy nośnikiem a biomasą. Jako przykłady
można wymienić nośniki oraz wiążące związki chemiczne: szkło lub ceramikę
uaktywnioną np. aldehydem glutarowym. Unieruchomienie mikroorganizmów
korzystnie wpływa też na własności sorpcyjne glonów.
Z uwagi na koszty stosowanie mikroorganizmów jako biosorbentów może być
opłacalne pod warunkiem odzyskiwania metalu z biosorbentu na drodze desorpcji,
jak i możliwości wielokrotnego użycia sorbentów w kolejnych cyklach sorpcji i
desorpcji.
Desorpcja i regeneracja biomasy
Wiązanie metali na powierzchni komórek następuje szybko, a proces poboru
metalu z roztworu trwa aż do osiągnięcia wysycenia miejsc aktywnych na
powierzchni biosorbentu. Utrzymanie stałej efektywności wymaga ciągłego
doprowadzania biomasy do reaktora, co znacznie podnosi koszty procesu. Dlatego
też dąży się do recyrkulacji biomasy, poddanej uprzednio desorpcji metali. W
przypadku desorpcji cyklicznej uzyskuje się zazwyczaj około ośmiu cykli.
Jako substancji odpłukujących używa się kwasów mineralnych (siarkowego(VI),
solnego i azotowego(V)), organicznych (cytrynowego) oraz środki kompleksujące
(EDTA, NTA). Stosowanie kwasów czy innych środków chemicznych może
prowadzić do zmniejszenia aktywności biomasy, a nawet do śmierci komórek.
Odzysk metali
Każde rozwiązanie technologiczne z zastosowaniem mikroorganizmów do
usuwania metali ciężkich musi uwzględniać również odzysk zaadsorbowanych przez
biomasę metali. Często do tego celu stosuje się proces elektrolizy.
Metody biohydrometalurgiczne
Do stosowanych w praktyce metod biohydrometalurgicznych należą: ługowanie
metali z rud, odsiarczanie węgla i ługowanie metali z odpadów stałych, płynnych i
gazowych.
Mikrobiologiczne Å‚ugowanie metali z rud
A
ugowanie metali polega na biochemicznym upłynnianiu nierozpuszczalnych
związków metali. Przebieg biologicznego ługowania i ich wydajność zależy od
aktywności biochemicznej drobnoustrojów i fizykochemicznych właściwości związków
zawierających określone metale w optymalnych warunkach środowiska.
A
ugowanie metali z rud przy udziale mieszanych populacji drobnoustrojów ma
złożony charakter i jest skutkiem wielu reakcji enzymatycznych, chemicznych oraz
elektrochemicznych.
Metody te pozwalają na doświadczalną eksploatację ubogich rud siarczkowych,
takich jak: kobalt, molibden, nikiel i cynk, jednak obecnie na skalę przemysłową
wykorzystywane są jedynie w przypadku miedzi, uranu i złota .
Większość mikroorganizmów zdolnych do ługowania metali należy do
chemolitotrofów, które jako z
ródło węgla komórkowego wykorzystują dwutlenek
węgla.
Wśród mikroorganizmów uczestniczących w utlenianiu mineralnych związków
siarki i żelaza, wyróżnić można:
- obligatoryjne chemolitotrofy (Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus
ferrooxidans),
- fakultatywne chemolitotrofy - zdolne do wykorzystania organicznych
i nieorganicznych związków siarki (Thiobacillus novelus, Thiobacillus
versutus)
- chemolitoheterotrofy - zdolne do wzrostu na podłożach zawierających
zwiÄ…zki organiczne (Beggiata sp., Thiotrix sp.).
Najbardziej efektywne w procesach Å‚ugowania okazujÄ… siÄ™ mieszaniny
szczepów, dlatego też w procesach Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus
ferrooxidans i Leptospirillum biohydrometalurgicznych prowadzonych
w skali przemysłowej nie stosuje się monokultur bakteryjnych. Wykorzystuje się
mieszaniny takich gatunków bakterii jak: Thiobacillus, Chromatium, Thiodyction,
Siderocapsa, Ferribacterium, Beggiatoa, Thiotrix i inne.
W procesach przekształcania nierozpuszczalnych siarczków w rozpuszczalne w
wodzie siarczany uczestniczą zwykle bakterie z gatunków: ferrooxidans.
Rola T. Thiooxidans polega głównie na wytwarzaniu kwasu siarkowego(VI). W
wyniku szybkiego utleniania zredukowanych związków siarki następuje upłynnienie
składników rudy co stwarza warunki sprzyjające rozwojowi dwóch pozostałych,
wspomnianych wyżej, gatunków bakterii.
Schemat utlenienia tych związków może być przedstawiony następująco:
2-
S O
4 6
2-      2- 2-
S2-      S0     S O SO       SO
2 3 3 4
Efektywność procesu ługownia zależy głównie od T. ferrooxidans . Oprócz
charakterystycznych dla wszystkich gatunków z rodzaju Thiobacillus zdolności do
bezpośredniego utleniania zredukowanych związków siarki według reakcji:
Me S + 2 O Me SO .
2 4
T. ferrooxidans mogą przeprowadzać proces utleniania jonów żelaza Fe(II) do
Fe(III) według reakcji:
4Fe2+ + 4H+ + O 4Fe3+ + 2H O
2 2
W procesie utleniania jonów żelaza(II) współuczestniczą bakterie L.
ferrooxidans niezdolne do samodzielnego utleniania siarczków. Ich obecność isotnie
zwiększa wydajność procesów biologicznego ługowania.
Na szerokÄ… skalÄ™ Å‚ugowanie wykorzystuje siÄ™ do uzyskiwania metali
z ubogich rud, odpadów i koncentratów. W USA ok. 15% rocznej produkcji miedzi
jest pozyskiwane w wyniku mikrobiologicznego Å‚ugowania rud. Metoda ta jest
opłacalna nawet wtedy, gdy zawartość metalu w rudzie stanowi mniej, niż 0,4% Cu.
 Upłynniony w wyniku ługowania metal otrzymuje się w stanie czystym (miedz

katodowa) z roztworu płynu ługującego w procesie elektrolizy.
Metody Å‚ugowania ubogich rud uranu stosuje siÄ™ w kopalniach rud uranu w
Kanadzie, natomiast złota  w Afryce, Brazylii i Australii.
Problemy technologiczne zwiÄ…zane z Å‚ugowniem metali w warunkach
technicznych obejmujÄ…:
- niedostateczne natlenienie złoża, które staje się czynnikiem limitującym
wzrost bakterii,
- mało skuteczny system zraszania,
- przegrzewanie złoża,
- zbyt duże odłamki rud, uniemożliwiające efektywne mikrobiologiczne
Å‚ugowanie,
- zbyt długi czas reakcji.
Prowadzone są badania nad nowymi szczepami bakterii, dzięki którym proces
ługowania zachodziłby szybciej.
Odsiarczanie węgla
Odsiarczanie węgla metodami mikrobiologicznymi polega na usunięciu
związków siarki występujących w pokładach węgla przy wykorzystaniu
mikroorganizmów.
Zawartość siarki w węglu mieści się najczęściej w zakresie 0,05  7 %. Może
ona występować zarówno w związkach nieorganicznych (siarczki, siarczany (IV, VI) )
oraz w zwiÄ…zkach organicznych (alkilowe, arylowe pochodne siarkowodoru).
Podczas spalania węgla do atmosfery emitowany jest dwutlenek siarki, gdzie
może on reagować z wodą i tlenem prowadząc do powstania kwasu siarkowego (IV),
(VI). Proces ten jest powodem powstawania tzw. kwaśnych deszczów. Duże koszty
odsiarczania gazów odlotowych skłoniły do poszukiwania metod odsiarczania węgla.
Taką metodą może być metoda mikrobiologiczna z wykorzystaniem bakterii z rodzaju
Thiobacillus.
Skuteczność odsiarczania biologicznego maleje wraz ze wzrostem zawartości
organicznych związków siarki. Stopień usunięcia siarki występującej w postaci
związków nieorganicznych wynosi zazwyczaj 70-80% , natomiast w przypadku siarki
organicznej  wynosi najczęściej kilka procent. Zasadniczą wadą odsiarczania węgla
na hałdach jest czas niezbędny do osiągnięcia pożądanego odsiarczenia, który
wynosi średnio kilka lat.
Chociaż jest to metoda tania i prosta pod względem technologicznym, to czas
reakcji sprawia, że jest to metoda mało realistyczna.
A
ugowanie metali z odpadów stałych, płynnych i gazowych
Duże nadzieje wiąże się z możliwościami wykorzystania procesów
biologicznego ługowania do utylizacji stałych, płynnych i gazowych odpadów i
osadów ściekowych zawierających metale ciężkie.
Metody ługowania są opłacalne nawet wtedy, gdy zawartość metali nie
przekracza 5%. W zakresie ługowania metali ciężkich z odpadów (stałych, ciekłych,
gazowych) wyróżnia się dwa nurty:
- zmniejszenie ich uciążliwości,
- odzyskiwanie metali (także cennych i rzadko występujących)
z zanieczyszczonych odpadów.
Zmniejszenie ładunków metali pochodzących ze ścieków (miejskich,
przemysłowych), a w konsekwencji w osadach ściekowych, polega m.in. na
opracowaniu metod usuwania metali w miejscu ich powstawania. Innym sposobem
jest spopielenie odpadów (co powoduje znaczne zredukowanie objętości poddanej
procesowi termicznemu).
Odzyskiwanie metali na drodze biologicznej polega na zastosowaniu bakterii z
gatunku Thiobacillus. Wymaga ono wprowadzenia dodatkowych związków
chemicznych, które będą wykorzystywane przez te bakterie jako substraty. Są nimi
najczęściej: sproszkowana siarka bądz
siarczan żelaza (II).
Głównym czynnikiem limitującym szybkość procesu wymywania metali ze
ścieków i osadów ściekowych jest odczyn pH, od którego zależy specyficzna
szybkość wzrostu bakterii. W wyniku ługowania metali i obniżenia odczynu do pH 2
następuje zmniejszenie ilości bakterii jelitowych (potencjalnie chorobotwórczych oraz
wirusów), a w konsekwencji poprawa właściwości sanitarnych osadu. Stało się to
powodem podjęcia badań nad opracowaniem technologii umożliwiających
równoczesne ługowanie metali, sanitację i stabilizację osadu.
W przypadku, gdy osady ściekowe mają być wykorzystane do nawożenia gleb,
należy wytrącić metale ciężkie poprzez zastosowanie wapna. Dodatek wapna
pozwala na równoczesną eliminację fosforanów.
Dalsze perspektywy biohydrometalurgii
Biologiczne ługowanie metali jest najczęściej spotęgowaniem naturalnie
przebiegających procesów, warunkujących odwieczne cykle krążenia metali w
przyrodzie.
Koszty niezbędnych inwestycji i eksploatacji są niskie w porównaniu z kosztami
tradycyjnych metod (fizykochemicznych) wydobycia, przeróbki rud oraz oczyszczania
odpadów stałych, płynnych i gazowych oraz osadów ściekowych z metali ciężkich.
Jednak ze względu na to, że wiedza z tego zakresu jest jeszcze niekompletna,
istnieje pilna potrzeba badań nad mikrobiologicznymi metodami usuwania i odzysku
metali ciężkich.
Fitoodzysk - fitoremediacja
Fitoodzysk (fitoremediacja) jest to technologia oczyszczania środowiska
(gleb, wód gruntowych i powierzchniowych, osadów ściekowych i powietrza), która
wykorzystuje naturalne zdolności roślin do pobierania i gromadzenia substancji
zanieczyszczających lub do ich biodegradacji (rozkładu wewnątrz tkanek roślinnych).
Dzięki tej metodzie metale wraz z zebraną masą roślinną mogą być usunięte z
zanieczyszczonego terenu.
W celu osiągnięcia szybkiej rekultywacji środowiska skażonego metalami
ciężkimi należy dobierać gatunki roślin, które intensywnie pobierają metale ciężkie, a
następnie zbierać je w fazach rozwojowych, kiedy to rośliny wykazują najwyższe ich
stężenie.
Fitoremediacja może być stosowana do określenia stopnia zmiany jednej
formy składnika występującego w środowisku na inną np. z postaci mobilnej na
związaną w biomasie. Na podstawie tego procesu można także określić rzeczywistą
ilość składników, która może być usunięta z danej przestrzeni przyrodniczej razem z
określoną biomasą.
W fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi wykorzystywane są
rośliny charakteryzujące się:
- dużą akumulacją metali,
- wysokim przyrostem biomasy,
- wysokim stopniem przemieszczania metali z korzeni do części
naziemnych, który zapewniłby możliwie największe usunięcie tych
pierwiastków ze skażonego środowiska wraz z materiałem roślinnym.
Ze względu na zawartość niektórych metali ciężkich (miedzi, kadmu, cynku,
ołowiu), rośliny akumulujące te pierwiastki, można uszeregować w następujący
sposób:
Cu
mniszek > skrzyp > trawy > sałata > kukurydza
Cd
tobołek > szpinak > sałata > wierzba > słoma jęczmienia > trawy
Pb
kapusta sitowata>kapusta pekińska>trawy>zboża>liście
buraków>ziemniaki>sałata>marchew
Zn
Tobołki alpejskie>zboża>cebula>sałata>szpinak>kukurydza
Porównując ilość składników, która może być pobrana przez rośliny z danego
podłoża, z ich zawartością w tym podłożu zauważa się, wyraz
nie widać, że
fitoremediacja nie przekracza 1%.
Saniatacja roślinna podłoża przez wynoszenie składników podłoża z
biomasą roślin może więc trwać dziesiątki a nawet setki lat.
Szata roślinna jednak ma także duże znaczenie w remediacji gruntów
zanieczyszczonych ponieważ utrwala je i osusza, inicjuje procesy biologiczne a także
stanowi barierę ochronną dla przyległych obszarów.
Typy fitoremediacji
Ze względu na mechanizm działania można wyróżnić następujące typy
fitoremediacji:
fitoakumulacja,
rizofiltracja,
fitodegradacja,
biodegradacja ryzosferyczna,
fitostabilizacja,
fitoulatnianie
kontrola hydrauliczna drzew.
Fitoakumulacja (fitoekstrakcja)- to pobieranie związków toksycznych z
zanieczyszczonej gleby razem z wodą i związkami odżywczymi niezbędnymi dla ich
wzrostu. Toksyny nie ulegają degradacji, lecz akumulują się głównie w nowych
pędach i liściach. Rośliny wykazujące bardzo wysokie zdolności akumulacji
zanieczyszczeń określane są terminem hiperakumulatorów. Do roślin o
właściwościach hiperakumulacyjnych należą np.: wierzba witwa (Salix virminalis),
gryka, kukurydza, lucerna, perz (Agropyron repens), tobołki alpejskie (Thlapsi
caerulescens), mniszek lekarski (Taraxacum officinale).
Rizofiltracja jest odmianą fitoakumulacji, od której różni się tym, że wzrost
roślin odbywa się w środowisku wodnym, a akumulacja toksyn zachodzi w mocno
rozwiniętej strefie korzeniowej.
Fitodegradacja to proces, w którym następuje rozkład zanieczyszczeń
wewnątrz tkanek roślinnych pod wpływem wytwarzanych przez rośliny enzymów.
Biodegradacja ryzosferyczna polega na wydzielaniu przez rośliny naturalnych
substancji w sferze korzeniowej, które z kolei tworzą pożywkę dla mikroorganizmów
znajdujÄ…cych siÄ™ w gruncie. W efekcie mikroorganizmy te inicjujÄ… naturalnÄ…
degradację związków toksycznych.
Fitostabilizacja to proces, w którym związki chemiczne wydzielane przez
rośliny stabilizują  unieruchamiają, ale nie degradują toksyny zawartej w
środowisku.
Fitoulatnianie polega na pobieraniu przez rośliny substancji toksycznych
wraz z wodą i ich transpiracji poprzez liście. Mechanizmy tego zjawiska nie są
jeszcze do końca poznane.
Kontrola hydrauliczna drzew to proces, w którym skażona woda gruntowa jest
intensywnie wchłaniana przez mocno rozwiniętą strefę korzeniową drzew.
Korzyści i możliwości zastosowania fitoremediacji
Fitoremediacja znajduje szerokie zastosowanie w oczyszczaniu wody gruntowej
oraz remediacji gruntów skażonych metalami ciężkimi, a także radioaktywnymi
zwiÄ…zkami organicznymi.
Główne zalety to:
- niski koszt nakładów inwestycyjnych,
- szerokie możliwości stosowania zależne od rodzaju skażenia,
- minimalne zakłócenie istniejących warunków środowiskowych,
- powszechna aprobata opinii publicznej.
Zabiegi fitoremediacji gleby prowadzi siÄ™ zazwyczaj w miejscu powstania
zanieczyszczenia (in situ). Ma to istotny wpływ na obniżenie kosztów oczyszczania.
Ograniczenia w zastosowaniu fitoremediacji
Jak każda technologia, fitoremediacja ma także, oprócz zalet, ograniczenia co
do jej zastosowania. Zalicza siÄ™ do nich:
- wolne tempo oczyszczania, które w zależności od rodzaju i poziomu
skażenia może trwać nawet kilka  kilkanaście lat. Dla zwiększenia
efektywności pobierania tych związków w glebie prowadzi się liczne badania
genetyczne - modyfikacje genetyczne są obecnie w fazie badań
laboratoryjnych,
- ograniczenie działania do płytkich warstw gleby (zależnego od poziomu
penetracji przez korzenie uprawianych roślin,
- wymaganie odpowiednio dużych powierzchni dla stosowania zabiegów
agrotechnicznych,
- powolny wzrost i specyficzne wymagania pokarmowe i wilgotnościowe wielu
hiperakumulatorów oraz różna tolerancja na inne zanieczyszczenia i
zasolenie gleby,
- zbyt wysokie koncentracje zanieczyszczeń mogą powodować poważne
uszkodzenia roślin i prowadzić do ich zamierania,
- nie poznana w wielu przypadkach toksyczność i biologiczne własności
produktów biodegradacji,
- niska efektywność w przypadku zanieczyszczeń silnie zaabsorbowanych na
czÄ…steczkach gleby,
- części roślinne nasycone związkami toksycznymi mogą przenikać do obiegu
żywności (np. przy przemieszczeniu się opadających liści lub dostępu do
nich zwierzÄ…t hodowlanych).
-
Unieszkodliwianie zakumulowanych metali ciężkich
W zależności od metody oraz sposobu akumulacji metali, usuwanie
nasyconych nimi części roślinnych może wymagać usuwania części nadziemnych
lub całych roślin z korzeniami. Zgromadzona w ten sposób masa zielona jest z kolei
poddawana najczęściej procesom termicznym - spalania. Objętość biomasy po
procesie termicznym jest zredukowana do minimum mineralnego, jednak ta
pozostałość musi być składowana na wysypiskach materiałów niebezpiecznych w
wydzielonych kwaterach.
Mimo wielu zalet fitoremediacji efekty uzyskiwane tą metodą nie zawsze można
porównać z efektami osiąganymi metodami fizyko-chemicznymi stosowanymi do
oczyszczania podłoża np. wymywaniem czy sorpcją metali. Może natomiast stanowić
ona ich uzupełnienie.
Praktyczne zastosowania fitoremediacji
Pozytywne rezultaty przy zastosowaniu fitoremediacji uzyskano w Czarnobylu
na Ukrainie oraz w zakładach Daimler-Chrysler w Detroitw USA.
W Czarnobylu fitoremediacji poddane zostały grunty oraz woda gruntowa,
wykazujące podwyższoną zawartość cezu i strontu. Proces przebiegał metodą in situ
w środowisku wodnym na poletkach zalewowych.
Zastosowano słoneczniki, charakteryzujące się szybkim wzrostem oraz
dużym przyrostem masy roślinnej. W rezultacie w okresie dziesięciodniowego okresu
wzrostu słoneczników, poziom toksyn zredukowany został o 90%.
Firma Daimler-Chrysler zdecydowała się na fitoremediację typu ex situ.
Skażony grunt z terenu oddziału kuz
ni i odlewni, zanieczyszczony głównie ołowiem
na głębokość 1m, został wykopany i umieszczony w specjalnie zaprojektowanych
skrzyniach, zapewniających szczelność oraz wyposażonych w system nawadniania.
Obecnie prawie cała planeta jest jednym ogromnym placem budowy, bazą
paliwową i składowiskiem odpadów. Z przyrody wydobywa się wielkie ilości
surowców stanowiących bogactwa naturalne.
Już samo ich wydobycie prowadzi do powstania ogromnych ilości odpadów.
Wydobyte surowce przetwarza się, aby wytworzyć dobra wprowadzając do nich
ogromne ilości energii z paliw. Zużyte produkty wyrzuca się jako bezwartościowe
materiały do środowiska, przez co zakłóca się, uszkadza, a nawet unicestwia
procesy ekologiczne.
Aby uniknąć globalnego  załamania środowiska , konieczne jest
wprowadzenie działań niwelujących lub minimalizujących negatywny wpływ
człowieka na środowisko, w którym żyje. Są nimi procesy efektywniejszego
wykorzystania wydobywanych zasobów, jak również technologie unieszkodliwiania
bÄ…dz
odzysku substancji toksycznych (dla organizmów żywych i środowiska).
W zależności od rodzaju, postaci czy stężenia unieszkodliwianych lub
odzyskiwanych składników, stosowane technologie można podzielić na:
mechaniczne,
fizykochemiczne
biologiczne.
Obecnie najszersze zastosowanie, podczas odzysku lub unieszkodliwiania
metali ciężkich, mają metody fizykochemiczne.
Bioremediacja, biohydrometalurgia, fitoremediacja metali ciężkich 
alternatywa czy uzupełnienie metod fizykochemicznych?
Na postawione pytanie trudno jest jednoznacznie odpowiedzieć. Każda z metod
ma zalety, jak też i pewne ograniczenia co do możliwości ich zastosowania.
Biohydrometalurgia jest metodą biotechnologiczną, która umożliwia
wykorzystywanie drobnoustrojów w celu eksploatacji ubogich rud metali. Na dzień
dzisiejszy istotnym celem jej stosowania jest Å‚ugowanie metali. Biologiczne
ługowanie jest wykorzystaniem naturalnych procesów warunkujących obieg metali w
przyrodzie. Koszty niezbędnych inwestycji i eksploatacji są niskie w porównaniu z
kosztami tradycyjnych metod wydobycia. Duże nadzieje wiąże się również z
możliwościami wykorzystania procesów biohydrometalurgicznych do utylizacji
stałych, płynnych i gazowych odpadów przemysłowych, które zawierają metale
ciężkie.
Bioremediacja metali, wykorzystująca żywe mikroorganizmy do katalizowania
destrukcji lub transformacji metali w formy mniej szkodliwe, ma zastosowanie
głównie do oczyszczania gruntów i wód gruntowych. Nie bez znaczenia wydaje się
tutaj możliwość zastosowania tej metody w miejscu skażenia (in situ), czy też brak
większych wymagań co do stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury.
Metody bioremediacyjne sprawdzają się w różnych warunkach pogodowych i
formach geologicznych. Konwencjonalne technologie wymagajÄ… natomiast
znacznych nakładów finansowych związanych z zastosowaniem dodatkowych
układów technologicznych, środków chemicznych oraz transportem dużych ilości
odpadów stałych, ścieków czy znacznych ilości gruntu.
Fitoremediacja jest technologią przyszłości. Celem jej badań jest poznanie
dokładnych mechanizmów oczyszczającego działania roślin oraz określenie
optymalnych warunków dla tych procesów.
Na dzień dzisiejszy wymienione metody stanowią najczęściej uzupełnienie
metod konwencjonalnych, takich jak: ekstrakcja, strÄ…canie chemiczne, wymiana
jonowa i in.
Jednym z powodów rzadkiego obecnie wykorzystania tych metod jest to, że
biohydrometalurgia i bioremediacja, wykorzystujące żywe mikroorganizmy, oraz
fitoremediacja, oparta na zdolnościach akumulacyjnych niektórych roślin, są
stosunkowo młodymi technologiami.
Koniecznym wydaje się prowadzenie dalszych badań w celu:
- poznania dokładnych mechanizmów zachodzących procesów,
- dostosowania optymalnych warunków (dla przebiegu procesów) do tych,
jakie panują w środowisku,
- poszukiwania szczepów mikroorganizmów i gatunków roślin, dzięki którym
procesy te zachodziłyby szybciej,
- rozszerzenia możliwości ich wykorzystania.
Innym powodem, decydujÄ…cym o ograniczeniu wykorzystania tych technologii,
jest stosunkowo długi czas niezbędny do przeprowadzenia procesów
unieszkodliwiania toksycznych substancji. W celu skrócenia tego czasu prowadzi się
badania w dwóch kierunkach.
Pierwszy z nich polega na wprowadzaniu do środowiska
wyselekcjonowanych kultur mikroorganizmów o zmodyfikowanym materiale
genetycznym. Procedura ta została zaakceptowana przez naukowców jako
niezbędna do usuwania toksycznych substancji, z którymi lokalne symbiozy
mikroorganizmów nie poradziłyby sobie. Budzi ona jednak liczne protesty
społeczeństwa oraz przede wszystkim specjalistów od mikrobiologii ekologicznej
obawiających się genetycznie modyfikowanych organizmów.
Drugi kierunek badań ma na celu przyspieszenie procesu poprzez dodanie
związków odżywczych. Prowadzi to do zintensyfikowania wzrostu drobnoustrojów
naturalnie występujących w środowisku.
Podobnie jak konwencjonalne metody fizykochemiczne, tak i te nie rozwiÄ…zujÄ…
do końca wszystkich problemów związanych z ich zastosowaniem. Są nimi m.in.:
- dalszy los mikroorganizmów oraz roślin, w których zakumulowane zostały metale
ciężkie,
- sposób odzysku metali z biomasy.
Dlatego też bardzo ważne są dalsze badania pozwalające na rozwiązanie
powyższych problemów oraz na stworzenie zintegrowanego systemu obejmującego
wszystkie działania podejmowane na każdym etapie technologicznego cyklu
wykorzystania surowca.
Ze względu na to, że biohydrometalurgia, bioremediacja i fitoremediacja
należą do tzw. technologii  czystych ekologicznie i energooszczędnych
procesów, możliwe jest, że staną się one alternatywą dla metod fizykochemicznych.
Los naszej planety, a tym samym los obecnych i przyszłych pokoleń jest w
rękach człowieka. Podejmowane przez niego działania nie powinny powodować
dalszych strat ekologicznych oraz naruszać praw przyszłych pokoleń. Wszystko
zależy jednak świadomości i od potrzeby podejmowania działań, które zmierzałyby
do naprawy zburzonego przez człowieka naturalnego środowiska.
BIOREMEDIACJA ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH Z GLEB
Technologia bioremediacji związków organicznych z gleb obejmuje:
- bioremediacjÄ™ podstawowÄ…  monitoring naturalnego procesu
biodegradacji
- biostymulację  prowadzenie modyfikacji środowiskowej np. dostarczenie
pożywek dla mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu poddawanego
bioremediacji
- bioaugmentację  wprowadzanie dodatkowych mikroorganizmów.
Degradacja węglowodorów (pochodzących z ropy naftowej) przebiega
zazwyczaj z udziałem tlenu poprzez wbudowanie w strukturę związku chemicznego.
Produkty pośrednie wstępnych reakcji utleniania są włączane do dalszych przemian
metabolicznych komórek, co prowadzi do powstawania produktów końcowych- CO i
2
wody. Uwolniona przy tym energia może być wykorzystana przez bakterie do
prowadzenia podstawowych procesów życiowych  wzrostu, syntezy, podziału
komórkowego.
W przekształceniach substancji ropopochodnych biorą udział mieszane gatunki
bakterii właściwych i promieniowców. Do nich należą: Pseudomonas, Arthrobacter,
Alcaligenes, Corynebacterium, Flovobacterium, Achromobacter, Acinetobacter,
Microccus, Nocardia, Mycobacterium.
Konwencjonalne technologie oczyszczania gruntu wymagajÄ… transportu gruntu
skażonego do właściwego zakładu utylizacji. W trakcie wydobywania i transportu
skażonego gruntu na powierzchnię do atmosfery uwalnia się około 60-90%
zanieczyszczeń.
Bioremediacja może być stosowana na miejscu skażenia in situ i nie wymaga
wykorzystania skomplikowanych urządzeń. Nie jest to jednak metoda uniwersalna,
nie może być stosowana dla każdego rodzaju zanieczyszczeń, w każdym miejscu i w
każdym czasie. Posiada więc pewne ograniczenia. Ekonomiczne wskaz
niki
bioremediacji w porównaniu z metodami chemicznymi czy fizycznymi (metody
konwencjonalne) są głównym powodem szerokiego stosowania tej metody.
Porównanie kosztów stosowania bioremediacji lub metod
konwencjonalnych do oczyszczania skażonych wód i gruntów
Koszt
Rodzaj i miejsce skażenia konwencjonalnej Koszt Zysk
metody bioremediacji [$]
oczyszczania [$]
[$]
Grunt na terenie miejskim, skażony węglowodorami wydobycie gruntu, biowentylowanie
pochodzenia petrochemicznego oczyszczanie poza miejsca skażenia
miejscem skażenia
3 mln 2,8 mln
0,2 mln
Grunt na terenie przemysłowym, skażony wydobycie gruntu, biowentylowanie
węglowodorami pochodzenia petrochemicznego oczyszczanie poza miejsca skażenia
miejscem skażenia
3 mln 0,2 mln 2,8 mln
Grunt i wody gruntowe skażone trichloroetanem pompowanie oraz ekstrakcja parą
(TCE) oczyszczanie wodnÄ…,
biowentylowanie
20 mln 2 mln 18 mln
Katastrofa tankowca  skażenie wybrzeża wymywanie biostymulacja
dodawanymi
odżywkami
0,005 mln za km 1 mln
1,1 mln za km
wybrzeża za km
wybrzeża
Grunt i wody gruntowe na terenie skażonyme TCE pompowanie oraz biowentylowanie
oczyszczanie wody
i gleby
20 mln
18 mln
2 mln
Teren skażony halogenowęglowodorami wydobycie gruntu i biowentylowanie
oczyszczanie poza
terenem
15 mln 2 mln 13 mln
RozwiÄ…zania technologiczne bioremediacji sÄ… determinowane przez warunki
atmosferyczne, hydrologiczne, geologiczne i są charakterystyczne dla obszaru, który
ma być poddany procesowi oczyszczania.
Szczególnie ważne jest również prowadzenie badań laboratoryjnych, które
obejmują określenie rodzaju i struktury substancji chemicznych stanowiących
skażenie. Są to parametry określające podatność substancji chemicznych
stanowiących skażenie. Są to parametry określające podatność substancji
chemicznych na proces biodegradacji. Badania te pozwolą określić zależność
szybkości procesu biodegradacji od: pH, stężenia tlenu, stężenia substancji
odżywczych, temperatury, potencjału redox, porowatości gruntu. Znajomość tych
parametrów pozwala podejmować decyzję co do strategicznych parametrów procesu
bioremediacji m.in.: rodzaju stosowanych mikroorganizmów, pożywek czy
intensywności napowietrzania.
Oczyszczanie skażonych gruntów jest procesem bardzo złożonym co może
doprowadzić do tego, że zaprojektowana technologia nie spełni oczekiwań. W
warunkach naturalnych nawet bardzo skrupulatnie zaplanowany proces
technologiczny może przebiegać nieco inaczej niż w laboratorium. W warunkach
naturalnych możemy także liczyć na adaptację organizmów nawet w sytuacjach
stresowych bez konieczności zmian procesu zarówno w fazie wstępnej jak i
końcowej.
BIOREMEDIACJA PODSTAWOWA
Bioremediacja podstawowa to proces, podczas którego jedynie naturalna
mikroflora skażonego gruntu jest wykorzystywana do obniżania stężenia substancji
toksycznej w gruncie do bezpiecznego miejsca (w określonych i akceptowalnych
ramach czasowych). Metoda ta nie wymaga dodatkowej interwencji, poza
monitoringiem procesu bioremediacji.
BIOSTYMULACJA
Powszechnie znane czynniki ograniczajÄ…ce naturalny proces biodegradacji to:
skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie, niedobór tlenu,
niekorzystne pH, niedobór substancji zawierających azot i fosfor, zbyt niska
wilgotność oraz niekorzystna temperatura, Kiedy tempo naturalnego procesu
bioremediacji jest niewystarczajÄ…ce, wtedy stosuje siÄ™ stymulacjÄ™ rodzimej mikroflory
w celu przyspieszenia tego procesu. Można stosować różne metody modyfikacji
warunków środowiskowych a przede wszystkim:
natlenianie
wprowadzanie pożywek.
NATLENIANIE
Dostępność tlenu cząsteczkowego w sposób istotny wpływa na bioremediację
różnych związków chemicznych. Ograniczony dostęp tlenu to czynnik limitujący
przebieg bioremediacji in situ. Dotyczy to zanieczyszczenia węglowodorami lub
innymi biodegradowalnymi substancjami chemicznymi. Najczęściej stosuje się
następujące sposoby natleniania rekultywowanego terenu:
- wentylacja, którą prowadzi się poprzez iniekcję czyli wtłaczanie powietrza do
gruntu pod zwiększonym ciśnieniem przez układ przewodów (drenów)
- stosowanie rozcieńczonych roztworów nadtlenku wodoru, który umożliwia
tlenowy (aerobowy) metabolizm mikroorganizmów
- spulchnianie gruntu poprzez mechanicznÄ… uprawÄ™.
WZOGACANIE GRUNTU POŻYWKAMI (NAWOZAMI)
Szybkość procesu biodegradacji może być limitowane stężeniem substancji
odżywczych i ich dostępnością. Głównie są to związki azotu i fosforu.
Skażenie gleby substancjami ropopochodnymi powoduje niekorzystny wzrost
stosunku węgla do azotu, co zaprezentowano poniżej w zestawieniu tabelarycznym.
Z tego powodu pierwszym koniecznym zabiegiem jest zasilenie skażonego gruntu
nawozami azotowymi.
Stopień zanieczyszczenia gleby Stosunek C:N
Gleba czysta 8: 1 do 10:1
Gleba słabo zdegradowana 10:1 do 17:1
Gleba średnio zdegradowana 17:1 do 30:1
Gleba w dużym stopniu 30:1 do 45:1
Gleba silnie zdegradowana >45:1
Nawóz (pożywka) stosowany w technice biodegradacji in situ musi spełniać
pewne kryteria:
- efektywne uwalnianie azotu i fosforu w krótkim czasie
- dostępność nawozu w dużych ilościach
- niska cena nawozu.
Nawóz ten musi być łatwy do transportu oraz aplikacja jego do gruntu musi być
prosta. Spośród stosowanych nawozów wydzielić można trzy grupy preparatów.
Różnią się one właściwościami fizycznymi, budową chemiczną oraz zawartością
pierwiastków biogennych (azot, fosfor).
Grupa pierwsza to ciekłe nawozy hydrofobowe. Są to preparaty łatwo
przylegające do substancji stałych (piasek, gleba, kamienie). Wytwarzają jednolitą
powłokę, z której powoli uwalniane są mikroelementy do gleby lub wody.
Drugą grupę stanowią nawozy w postaci stałej, są to najczęściej granulki, z
których w kontakcie z wodą powoli uwalniają się niezbędne składniki.
Grupa trzecia to wodne roztwory nawozów zawierających azot i fosfor.
Stosowanie takich preparatów polega przede wszystkim na ich rozpyleniu na
powierzchni skażonego terenu. A
atwo penetrują do głębszych warstw gruntu i
docierajÄ… do poziomu substancji toksycznych.
BIOAUGMENTACJA  ZWI
KSZENIE POPULACJI MIKROORGANIZMÓW
Bioaugmentacja to wzbogacanie zanieczyszczonego terenu w specjalnie
wyselekcjonowane bakterie, o dużej zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń.
Stosuje się ją w przypadku gdy rodzima populacja bakterii, na skażonym terenie, nie
wykazuje pożądanej aktywności. Celem tego zabiegu jest zwiększenie tempa lub/i
rozmiaru biodegradacji zanieczyszczenia. Proces ten stosuje siÄ™ jednak dopiero
wtedy, gdy zawodzÄ… bioremediacja podstawowa oraz biostymulacja. Ma to miejsce
zazwyczaj w przypadku skażenia związkami chemicznymi o bardzo dużej odporności
na proces biodegradacji.
Dobór szczepów mogących służyć do inokulacji skażonych gruntów stwarza
wiele problemów. Szczepy te oprócz wysokiej skuteczności rozkładu węglowodorów
powinny posiadać cechy umożliwiające adaptację i rozwój w nowym środowisku.
Warunkiem adaptacji inokulantów w gruncie jest brak antagonistycznych
oddziaływań z naturalną florą gleby.
Biopreparaty powinny być całkowicie bezpieczne dla człowieka i środowiska.
Muszą posiadać atest higieniczny Państwowego Zakładu Higieny, w którym
gwarantuje się, że nie zawierają one drobnoustrojów chorobotwórczych.
Bioaugmentacja obejmuje bezpośrednią iniekcję zawiesiny mikroorganizmów o
pożądanej aktywności wraz z substancjami odżywczymi (jeśli to konieczne) do
skażonego gruntu.
Literatura zalecana
1. Kubica M., 2000,  Bioremediacja  metoda uzdrawiania środowiska , Aura 6/2000, SIGMA-
NOT: 9,
2. Porębska G., Gworek B. 1999,  Ocena przydatności roślin w remediacji gleb
zanieczyszczonych metalami ciężkimi , Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 17,
Instytut Ochrony Åšrodowiska, Warszawa: 82,
3. Blais J.F., Tyagi R.D., Auclair J.C., Lavoie M.C. 1992,  Indicator bacteria reduction in sewage
sludge by a metal bioleaching process , Wat. Res. 26: 487-495,
4. Blais J.F., Tyagi R.D., Auclair J.C., 1993,  Bioleaching of metal from sewage suldge:
microorganism and growth kinetics , Wat. Res. 26: 101-110,
5. Lee J. D. 1994,  Zwięzła chemia nieorganiczna , Wyd. Naukowe PWN Warszawa: 90-92,
6. Nowa encyklopedia powszechna PWN 1995, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa,
7. Åšwiat Wiedzy 2001, Kolekcja Marshalla Cavendisha, Wyd. Marshall Cavendish Polska,
Warszawa: 17-20, 41-42, 159-162, 213-224,
8. Kabata - Pendias A., Pendias H., 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych . Wyd.
Naukowe PWN: Warszawa, 111-112,
9. Kabata - Pendias A., Pendias H., 1993. Biogeochemia pierwiastków śladowych . Wyd. Nauk.
PWN: 111-112, Warszawa,
10. Gambuś F., 2001.  Przeciwdziałanie i łagodzenie skutków zanieczyszczenia gleb , Aura
8/2001, SIGMA-NOT: 10-12,
11.Hulanicki A. 1998.  Specjacja i analiza specjacyjna W:  Problemy jakości analizy śladowej w
badaniach środowiska przyrodniczego Wyd. Edukacyjne Zofii Dobkowskiej, Warszawa,
wyd.2: 149-151,
12. O Neill P. 1998,  Chemia środowiska , Wyd. Naukowe PWN, Warszawa: 44-50, 236-243,
250-255,
13. http://www.wiem.onet.pl/wiem/009326.html,
14.http:// www.dieta.info.pl/chrom.htm,
15. http://www.dieta.info.pl/rtęć.htm,
16. Abramczyk S., 1998,  Uwaga, ołów , Aura 2/1998, SIGMA-NOT: 32-33,
17. Anielak A.M. 2000,  Chemiczne i fizykochemiczne oczyszczanie ścieków , Wyd. Naukowe
PWN, Warszawa: 61-62, 236-247,
18. Kieszkowski M. 1970.  Obróbka metali z galwanizerni , Powłoki galwaniczne: 5,9,
19. Stefanowicz T., Szwankowski S. 1993,  Próby utylizacji i recyklingu chromu (VI) w układzie
płuczek galwanicznych , Mat. Konf.  Chemia w ochronie środowiska , Lublin: 131,
20. Cywiński B., Gdula St., Kempa F., Kurbiel J., Płoszański H. 1983,  Oczyszczanie ścieków.
Oczyszczanie mechaniczne i chemiczne . Arkady , Warszawa,
21. Bartoszewski K., Kempa E., Szpadt R., 1981,  Systemy oczyszczania ścieków , Politechnika
Wrocławska, Wrocław,
22.Pawłowski L., Wasąg H., Siek A. 1993,  Technologiczne aspekty oczyszczania ścieków
zawierających Cr(VI) za pomocą jonów włóknistych, Mat. Konf.,  Chemia w ochronie
środowiska , Lublin: 123,131,
23. Tyszka M., Starzyk K., Międzybrodzki J. 1998,  Rola biocenozy w oczyszczaniu ścieków
metodÄ… osadu czynnego , Aura 2/1998, SIGMA-NOT: 10-12,
24.Andres Y., Mac Cordick H.J., Hubert J.C. 1995,  Selective biosor[tion of thorium ions by an
immobilized mycobactrial biomass , Appl. Microbiol. Biotechnol., 44: 271-276,
25.Nakajima A., Sakaguchi T. 1986,  Selective accumulation of heavy metals by
microorganisms , Appl. Nicrobiol. Biotechnol. 24: 59-64,
26.Mikucki J (pod red.). 1994,  Mikrobiologia , Wyd. A.M. w A
odzi: 2-1  2-41,
27. Kotełko K., Sedaczek L. 1985,  Biologia bakterii , Wyd. Naukowe PWN, Warszawa,
28. Kunicki  Goldfinger W. 1993,  Życie bakterii , Wyd. Naukowe PWN Warszawa,
29.Markiewicz Z. 1993,  Struktura i funkcje osłon bakteryjnych , Wyd. Naukowe PWN. Warszawa,
30. Shumate II S.E., Stranberg G.W. 1985,  Accumulation of metals by microbial cells Ed. Moo 
Young M., Robinson C.N. Howell J.A., Pergamon Press. Oxford, 235-247,
31. Artola A., Balaguer M.D., Rigola M. 1997,  Heavy metals binding to anaerobic sludge , Wat.
Res. 31: 997-1004,
32.Brady D., Stoll A.D., Starke L., Dunkan J.R. 1994.  Chemical and enzymatic extraction of
heavy metal binding polymers from isolated cell walls of Saccharomyces cerevisiae
Biotechnol. Bioeng., 44: 297-302,
33. Mullen M. D., Wolf D. C., Ferris F. G., Beveridge T. J., Flemming C. A., Bailey G. W. 1989, 
Bacterial sorption of heavy metals , Appl. Environ. Microbiol., 55: 3143-3149,
34. Scott J.A., Palmer S.J. 1990,  Sites of cadmium uptake in bacteria used for biosorption Appl.
Microbiol. Biotechnol. 33: 221-225,
35.Chang J.S., Law R., Chang C.C. 1997.  Bio-sorption of lead , copper and cadmium by biomass
of Pseudomonas putida PU 21. Wat. Res.,67: 822-827,
36.Chang J., Hong J. 1994.  Bio-sorption of mercury by the inactivated cells of Pseudomonas
aeruginosa PU 21 (Rip 64). Biotechnol. Bioeng., 44: 999-1006,
37. Gołąb Z., Glubiak M. 1991.  Akumulacja ołowiu i uranu w komórkach wybranych
mikroorganizmów , Substancje Toksyczne w Środowisku, 1: 125-128,
38.Kapoor A., Viraraghavan T. 1998.  Removal of heavy metals from aqueous solutions using
immobilised fungal biomass in continuous mode . Wat. Res. 32: 1968-1977,
39. Holan Z.R., Volesky B. 1994.  Biosorption of lead and nickel by biomass of marine algae .
Biotechnol. Bioeng. , 43: 1001-1009,
40.Zhang L., Zhao L., Yu Y., Chen Ch. 1998,  Removal of lead from aqueous solution by non-
living Rhizopus nigricans , Wat. Res., 32: 1437-1444,
41.Ostrowski M., Skłodowska A. 1996,  Małe bakterie, wielka miedz
 , Sci-ART, Warszawa,
42. Chong K.H., Volesky B. 1996  Description of two bio-sorption equilibra by Langmuir-type
models. Biotechnol. Bioeng. , 47: 451-460,
43.Sing Ch., Yu J. 1998:  Copper adsorption and removal from water by living mycelium of white-
rot fungus Phanerochaete chrysosporium , Wat. Res., 32: 2746-2752,
44.Stranberg G. W., Shumate II S.E., Parrott J.R. 1981,  Microbial cells as biosorbents for heavy
metals: Accumulation of uranium by Saccharomyces cerevisiae and Pseudosomonas
aureginosa Appl. Environ. Microbiol., 41: 237-245,
45. Jang L.K., NguyenD., GeeseyG.G. 1995.  Effect of pH on the adsorption of Cu(II) by alginate
gel. Wat. Res. 29: 315-321,
46.Williams C. J., Aderhold D., Edyvean R. G. J. 1998,  Comparison between biosorbents for the
removal of metal ions from aqueous solutions , Wat. Res., 32:216-224,
47. Wojnowska  Baryła I., Klimiuk E. 1995,  Badania nad usuwaniem kadmu przez osad czynny z
różnych ekosystemów oczyszczania ścieków ,  , Substancje Toksyczne w Środowisku 4/5: 51-
55,
48. Figueira M.M., Volesky B., Ciminelli V.S.T. 1997,  Assessment of interference in biosorption of
a heavy metal , Biotechnol. Bioeng., 54: 344-350,
49.Delgado A., Anselmo A.M., Novais J.M. 1998.  Heavy metal; bio-sorption by dried powdered
mycelium of Fusarium flocciferum . Wat. Environ. Res. 70: 370-375,
50. Hughes M.N., Poole R.K. 1989.  Metals and micro-organisms . Chapman and Hall, London,
New York,
51.Macaskie L. E., Dean A. C. R. 1989,  Microbial metabolism, desolubilisation and deposition of
heavy metals: metal uptake by immobilised cells and application to the detoxification of liquid
wastes W:  Biological Waste Treatment , Ed.: Mizrahi, vol 12, Advancws Biotechnological
Processes. New York: 159-201,
52. Grędzińska A., Stolarczyk E. 1995.  Badanie efektywności usuwania kadmu przez wolne i
immobilizowane szczepy bakterii , Praca magisterska, Wydz. Ochrony Wód i Rybactwa
Śródlądowego ART, Olsztyn,
53.Norberg A. B., Persson H. 1984,  Accumulation of heavy metal ions by Zooglea ramigera ,
Biotech. Bioeng., 26: 239-246,
54. Moriyama K., Kobayashi Y., Mori T., Nakahara H., Chino M. 1992,  Accumulation of zinc in
activated sludge , Wat. Sci. Technol. 26: 2133-2136,
55.Shem H., Wang Y. 1993,  Characterisation of enzimatic reduction of hexavalent chromium by
Escherichia coli ATCC 33456. Appl. Environ. Microbiol. , 59: 3771-3777,
56. Ohtake H., Hardoyo 1992,  New biological method for detoxification and reoval off hexavalent
chromium , Wat. Sci. Technol., 25: 395-402,
57.Gosh S., Bupp S. 1992.  Stimulation of biological uptake of heavy metals , Wat. Sci.
Technol. 26: 227-236,
58. Wesołowski A. 2000, Metody biologiczne remediacji gruntów skażonych , Aura 11/2000,
SIGMA-NOT: 8-10,
59.Kołodyński J. 1999,  O dziwnych związkach drobnoustrojów z metalami . Aura 11/1999,
SIGMA-NOT: 14-15,
60.Kiepas - Kokot A., Fudali E., Karasiewicz B. 2000  Fitoremediacja gleby- nadzieje, możliwości,
zastosowanie i kontrowersje . Aura 8/2000, SIGMA-NOT: 4-5,
61.Butter T.J., Evison L.M., Hancock I.C., Holland F.S. 1998a.  The kineticsof metal uptake by
microbial biomass: Implications for the design of bio-sorption reactor . Wat. Sci. Technol., 38:
279-286,
62.Huang C.P., Huang J. 1996.  The removal of Cu(II) from dilute aqueous solutions by
Saccharomyces cerevisiae . Wat. Res. 24: 433-439,
63.Fermańska M., A
ebkowska M. 1997.  Usuwanie zanieczyszczeń organicznych ze ścieków w
obecności kadmu w złożu biologicznym , Gaz, Woda Tech. Sanit., 8: 304-307,
64.Schinner F., Burgstaller W. 1989,  Extration of sinc from industrial waste by a Penicyllinum sp.
Appl. Environ. Microbiol. 55: 1153-1156,
65. Karwowska E. 2000.  Usuwanie wybranych metali ciężkich ze ścieków przy zastosowaniu
osadu czynnego . Praca doktorska. Wydział Inżynierii Środowiska PW, Warszawa,
66.Macaskie L. E., Dean A. C. R. 1987,  A heavy metal accumulating Citrobacter sp. is unable to
accumulate trimethyl lead but accumulates cadmium in the presence of organolead ,
Biotechnol. Letters. 9: 299-300,
67. Brierley J.A., Goyak G.M., Brierley C.L. 1986.  Considerationsfor commercial use of nature
products for metals recovery .W:  Immobilasation of ions by bio-sorption , ed.: Eccles H., Hunt
S. Chichester: Ellis Horwood, London, 105-117,
68.Bailey S.E., Olin T.J., Bricka R.M., Adrian D.D. 1999,  A review of potentially low-cost sorbents
for heavy metals , Wat. Res. 33: 2469-2479,
69.Deans J.R., Dixon B.G. 1992.  Uptake of Pb2+ and Cu2+ by novel bioplymers . Wat. Res. 26:
469-472,
70. Wojnowska  Baryła I. 1995  Charakterystyka zdolności usuwania kadmu z roztworów
wodnych przez biosorbenty karagenianowe , Substancje Toksyczne w Åšrodowisku 4/5: 41-44,
71. Brown M.J., Lester J.N. 1982a.  Role of bacterial extracellular polymers in metal uptake in
pure bacterial culture and activated sludge I. Effects of metal concentration . Wat. Res . 16:
1539-1548,
72.Kiff R.J., Little D.R. 1986.  Biosorption of heavy metals by immobilised fungal biomass . W:
 Immobilisation of ions by bio-sorption . Ed. Eccles H., Hunt S., Chichester: Ellis Horwood,
London, 71-80,
73. Kuczajowska  Zadrożna M. 2000,  Efektywność usuwania kadmu w procesach sorpcji i
biosorpcji , Praca doktorska. Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska UWM, Olsztyn,
74.Lodi A., Borghi M. D., Ferraiolo G. 1989,  Biological leaching of inorganic materials W:
 Biological Waste Treatment. Ed.: Mizrahi, vol 12, Advances Biotechnological Process. New
York, 133-158,
75. Wong L. T. K., Henry J. G. 1988,  Bacterial leaching of heavy metals from anaerobically
digested sludge , W:  Biotreatment systems , vol II. Ed. D. L. Wise, Ph. D., P.E., Boca Raton,
Florida, 166-169,
76.Wong P. K., Lam K.C., So C. M. 1993,  Removal and recorvery of Cu (II) from industrial
effluent by immobilized cells of Pseudosomonas putida , II-11. Appl. Microbiol. Biotechnol.,
39: 127-131,
77. Wilkinson S. C., Goulding K. H., Robinson P. K. 1989,  Mercury accumulation and volatilization
in immobilized algal cell system , Biotechnol. Lett., 11: 861-864,
78. Darnall D.W., Gabel A.M., Garea-Torresday J. 1989.  AlgaSORB: a new biotechnology for
removing and recovering heavy metal ions from ground water and industrial waste water .
W:  Hazardous Waste Treatment. Biosystems for Pollution Control Proceedings of the 1989 A
WMP/EPA International Symposium, EPA, Cincinnati, Ohio,
79.Remacle J., Mugureza I., Fransolet M. 1992  Cadmium removal by a strain of Alcaligenes
denitrificans isolated from a metal  polluted pond , Wat. Res., 26: 923-926,
80. Couillard D., Mercier G. 1993.  Removal of metals and fate of N and P in the bacterial leaching
of aerobically digested sewage sludge . Wat. Res. 27: 1277-1295,
81. Blais J.F., Tyagi R.D., Auclair J.C., Huang C.P. 1992b.  Comparison of acid and microbial
leaching for metal removal from municipal sludge . Wat. Sci. Tech . 26: 197-206,
82. Sreekrishnan T.R., Tyagi R.D., Blais J.F., Campbell P.G.C. 1993.  Kinetics of heavy metal
bioleaching from sewage sludge  I. Effects of process parameters , Wat. Res. 27: 1641-1651,
83. Tyagi R. D., Sreekrishnan T.R., Campell P.G.C., Blais J. F. 1993,  Kinetics of heavy metal
bioleaching from sewage sludge  II. Mathematical model . Wat. Res., 27: 1653-1661,
84.Baran S., 1995,  Przemieszczanie się metali ciężkich do roślin , Chemia i Inżynieria
Ekologiczna 1/1995, Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej, Opole: 34,
85. Encyklopedia zielarstwa i ziołolecznictwa, Wyd. Naukowe PWN 2000, Warszawa: 347,558,
86. Wesołowski A. 2001,  Obróbka biologiczna na złożach , Aura 1/2001, SIGMA-NOT: 12-13,
87. Kiepas  Kokot A., Fudali E., Karasiewicz B. 2000,  Fitoremediacja gleby  nadzieje,
możliwości, zastosowanie, kontrowersje , Aura 8/2000, SIGMA-NOT: 4-5,