Technologie rekultywacji gleb
zanieczyszczonych
Metody biologiczne rekultywacji

Rekultywacja gleb

zanieczyszczonych

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Biologiczne metody rekultywacji gleb

zanieczyszczonych opierają się na
aktywności organizmów żywych –
mikroorganizmów glebowych i roślin
wyższych, które mają zdolność do
degradacji,

immobilizacji

lub

akumulacji zanieczyszczeń.

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Rozróżniamy

dwa

główne

rodzaje

biologicznych metod rekultywacji:

• Metody bioremediacyjne
• Metody fitomeliracyjne

Ponadto wyróżnić można kilka innych

metod takich jak bioremediacja w
rizosferze i rizofiltracja.

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Metody

bioremediacyjne

oparte

są

na

aktywności mikroorganizmów. Stosowane są

głównie

do

oczyszczania

gleb

zanieczyszczonych związkami organicznymi.

Metody fitomelioracyjne wykorzystują rośliny

wyższe do degradacji i usuwania z gleb

zanieczyszczeń

organicznych

i

nieorganicznych. Najczęściej stosowanymi

metodami

są

fitostabilizacja

oraz

fitoekstrakcja.

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Bioremediacja w rizosferze opiera się na

podobnych

zasadach

jak

inne

metody

bioremediacyjne.

Określana

jest

niekiedy

również jako rizodegradacja lub bioremediacja
wspomagana. W bioremediacji w rizosferze
procesy remediacyjne zachodzą w w strefie
korzenienia się roślin. Zadaniem roślin jest:

• Wspomaganie

mikroorganizmów

(poprawa

warunków życia mikroorganizmów glebowych)

• Zapobieganie

erozji

oraz

migracji

zanieczyszczeń z oczyszczanego terenu

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Rizofiltracja polega na wykorzystaniu

roślin

mikoryzujacych

do

wychwytywania

zanieczyszczeń.

Stosowana jest głównie do oczyszczania
wód.

Biologiczne metody rekultywacji

gleb zanieczyszczonych

Zalety

metod

biologicznych

to

przede

wszystkim szeroki zakres stosowalności,
wysoka efektywność i niskie koszty.

Ograniczenia

metod

biologicznych

to

stosowalność jedynie do ograniczonego
zakresu

stężeń

substancji

zanieczyszczających (nie mogą przekraczać
poziomu tolerowanego przez rośliny
mikroorganizmy

glebowe),

zależność

efektywności

od

biodostępności

zanieczyszczeń oraz długi czas potrzebny do
osiągnięcia zamierzonego efektu.

Kompostowanie

Kompostowanie jest metodą remediacji

stosowaną ex situ.

Kompostowanie polega na wydobyciu

zanieczyszczonej

gleby

i

zmagazynowaniu

jej

w

pryzmach

kompostowych lub rozmieszczeniu na
większej

powierzchni

celem

przyspieszenia

procesu

degradacji

zanieczyszczeń.

Kompostowanie

Metoda pozwala na usunięcie z gleby

niektórych związków organicznych takich
jak substancje ropopochodne oraz niektóre
związki halogenoorganiczne.

Proces

degradacji

zanieczyszczeń

jest

prowadzony

przez

mikroorganizmy

tlenowe (aerobowe), które mineralizują
związkiorganiczne do prostych związków
nieorganicznych bądź też przeprowadzają
je w formy nieszkodliwe.

Schemat kompostowania

Warstwa izolująca

(beton lub inny

materiał)

Przewody wentylacyjne

Podłoże i przykrycie ze

zrębków drewna

Zbieranie

odcieków

Bela siana

Gleba w

pryźmie

Kompostowanie

Zalety kompostowania:
• Metoda nieskomplikowana i relatywnie

tania.

• Możliwość

całkowitego

usunięcia

niektórych związków.

• Znana i dopracowana technologia .

Kompostowanie

Wady kompostowania:
• Nieefektywna

wobec

niektórych

zanieczyszczeń.

• Nieskuteczna

w

glebach

bardzo

zanieczyszczonych.

• Wymaga dużych powierzchni.
• Długi czas trwania procesu.
• Konieczność zbierania i kontrolowania

odcieków.

• Inwazyjna w stosunku do środowiska

(konieczność przemieszczenia gleby).

• Ograniczone

zastosowanie

do

zanieczyszczeń nieorganicznych

Reaktory i filtry biologiczne

Metoda

filtrów

lub

reaktorów

biologicznych

polega

na

wykorzystaniu do oczyszczania
gleby

aktywności

mikroorganizmów.

Proces

oczyszczania

zachodzi

w

specjalnych

instalacjach

do

których

przenosi

się

glebę

(metoda ex situ).

Reaktory i filtry biologiczne

Gleba jest mieszana z woda i w

formie zawiesiny przenoszona do
komory reakcyjnej.

W komorze reakcyjnej w wyniku

działania wyselekcjonowanych
grup mikroorganizmów następuje
proces oczyszczania w wyniku ich
sorpcji lub przekształcenia.

Reaktory i filtry biologiczne

Przekształcenie związków organicznych

polega na ich całkowitej lub częściowej

degradacji natomiast w przypadku

związków nieorganicznych na ich

wytrąceniu (redukcja lub skompleksowanie

w formie trudno rozpuszczalnych soli).

Proces oczyszczania może być

wielostopniowy i prowadzić do całkowitego

usunięcia zanieczyszczeń.

Po oczyszczeniu i osuszeniu gleba jest

zwracana na miejsce pobrania.

Reaktory i filtry biologiczne

Zalety:
• Wysoka efektywność i stosunkowo

szybka remediacja (najszybsza metoda
biologiczna).

• Zastosowanie do szerokiej gamy

zanieczyszczeń organicznych i
nieorganicznych.

• Gleba oczyszczona ta techniką nie

traci swych właściwości i może być
zwrócona do miejsca pierwotnego
występowania.

Reaktory i filtry biologiczne

Wady:
• Konieczność budowy specjalnych instalacji.
• Stosunkowo duża inwazyjność w stosunku

do środowiska (metoda ex situ!).

• Generowanie dużej ilości odpadów stałych,

półpłynnych i ciekłych).

• Znaczne uzależnienie parametrów

procesowych od właściwości gleby, a co za
tym idzie skomplikowana kontrola
procesu).

• Dość wysokie koszty.

Bioremediacja

Bioremediacja jest metodą in situ oparta

na

aktywności

mikroorganizmów

wykorzystujących związki organiczne
jako

substraty

w

procesach

energetycznych lub przekształcających
je

w

substancje

niezbędne

do

prawidłowego funkcjonowania.

Stosowana jest głównie do oczyszczania

gleb

zanieczyszczonych

związkami

organicznymi, choc podejmowane są
próby jej wykorzystania do oczyszczania
gleb skażonych metalami ciężkimi.

Bioremediacja

W

procesie

bioremediacji

wykorzystywane

być

mogą

mikroorganizmy rodzime oczyszczanej
gleby lub wyspecjalizowane szczepy
mikroorganizmów egzogennych, które
nie

występują

naturalnie

w

oczyszczanej glebie lecz są do niej
wprowadzane w formie specjalnych
preparatów mikrobiologicznych.

Bioremediacja

Preparaty

egzogenicznych

mikroorganizmów stosowane są dla
niektórych

trudno

degradowalnych

zanieczyszczeń organicznych w sytuacji
kiedy do ich rozkładu niezbędne jest
wykształcenie

specjalnych

szlaków

metabolicznych.

Ograniczeniem w przypadku tych metod

jest

konkurencja

ze

strony

mikroorganizmów

rodzimych

oraz

specyficzne wymagania środowiskowe
wprowadzanych mikrobów.

Bioremediacja

W

przypadku

bioremediacji

wykorzystującej

mikroorganizmy

rodzime

podejmuje

się

niekiedy

dodatkowe

działania

inżynierskie,

odpowiednie nawożenie, zwiększenie
uwilgotnienia i natlenienia gleby w celu
podniesienia efektywności procesu.

Szczególnie

ważne

dla

zwiększenia

efektywności procesu jest dostarczenie
składników odżywczych oraz tlenu.

Bioremediacja gleb skażonych

metalami ciężkimi

Stosowane

są

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 z terenów skażonych, zalicza się:

- bakterie,
- drożdże,
- promieniowce,
- pleśnie,
- grzyby (bez kapeluszowych),
- glony (bez plechowych).

Bioremediacja gleb skażonych

metalami ciężkimi

Usuwanie

metali

ciężkich

przez

mikroorganizmy

wynika

z

mechanizmów:

• powierzchniowego

wiązania

metali

przez

reaktywne

polimery

i

makrocząsteczki

występujące

w

osłonach komórkowych.

• wewnątrzkomórkowego

wiązania

metali.

Bioremediacja gleb skażonych

metalami ciężkimi

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.
 
Tworzenie trwałych kompleksów to jeden z

mechanizmów zewnątrzkomórkowego wiązania
metali. Ujemnie naładowane grupy: karboksylowa
i hydroksylowa oraz posiadająca wolną parę
elektronową grupa aminowa, łatwo tworzą
kompleksy z elektrododatnimi jonami metali.

 

Bioremediacja gleb skażonych

metalami ciężkimi

Zewnątrzkomórkowe wiązanie metali

ciężkich

Ważną rolę w powierzchniowym wiązaniu

metali pełnią otoczki i warstwy śluzowe.
Większość z nich składa się z polimerów
obojętnych

cukrów,

kwasów

(uronowego, pirogronowego, octowego)
oraz

polipeptydów.

Nadają

one

egzopolimerom

anionowy

charakter

wynikający

z

przewagi

grup

elektroujemnych i pozwala na wiązanie
znacznych ilości kationów metali.

Bioremediacja gleb skażonych

metalami ciężkimi

Wewnątrzkomórkowe wiązanie metali ciężkich
Metale ciężkie są z terenów nimi zanieczyszczonych

usuwane przez mikroorganizmy w wyniku procesów

związanych z 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,

- biotransformację polegającą na biologicznym

utlenianiu lub redukcji metalu w wyniku czego

usuwanie metalu jest skutkiem jego przechodzenia z

form rozpuszczalnych w mniej rozpuszczalne,

- wewnątrzkomórkowe pobieranie i wytrącanie

metali.

Bioremediacja

Zalety metody:
• Metoda prosta w zastosowaniu, nie

wymaga

budowy

skomplikowanych

instalacji.

• Stosunkowo niewielkie koszty
• Metoda

mało

inwazyjna

lub

nieinwazyjna

w

stosunku

do

środowiska.

• Możliwość całkowitego oczyszczenia

gleby z większości zanieczyszczeń
organicznych.

Bioremediacja

Wady i ograniczenia metody:
• Efektywność

procesu

(mierzona

czasem

potrzebnym do oczyszczenia danego gruntu)
uzależniona jest od stężenia zanieczyszczeń w
glebie i ich dostępności.

• Efektywność

metody

uzależniona

jest

od

warunków pogodowych.

• Efektywność procesu zależy od dostępności

biogenów.

• Mniejsza

efektywność

w

przypadku

zanieczyszczeń trudno degradowalnych (PCB,
WWA i związki halogenoorganiczne).

• Konieczność

monitorowania

odcieków

z

oczyszczanego terenu.

Metody fitoremediacji

• Fitostabilizacja
• Fitoekstrakcja

Fitostabilizacja

Fitostabilizacja

wykorzystuje

zdolność

wybranych

gatunków

roślin

do

zatrzymywania zanieczyszczeń.

Proces

zatrzymywania

zanieczyszczeń

zachodzi w drodze:

- adsorpcji zanieczyszczeń na powierzchni

korzeni,

- adsorpcji do wnętrza korzeni,
- wytrącania w strefie korzeniowej.

Fitostabilizacja

Fitostabilizacja zanieczyszczeń następuje

również w wyniku przeciwerozyjnego
oddziaływania korzeni roślin, które wiążą
wierzchnią warstwę gleby zapobiegając
erozji wietrznej i wodnej oraz ługowaniu
zanieczyszczeń i przemieszczaniu ich do
głębszych warstw gleby.

Fitostabilizacja

W procesie fitostabilizacji system korzeniowy

rośliny chroni glebę przed erozją i
ogranicza migrację wody a rozbudowana
część

nadziemna

rośliny

zapobiega

nadmiernej penetracji wód deszczowych.

Rozbudowany system korzeniowy dostarcza

dodatkowych powierzchni na których
zachodzi sorpcja metali. Ponadto niektóre
gatunki

roślin

wytwarzają

warunki

sprzyjające

powstawaniu

trudno

rozpuszczalnych form zanieczyszczeń.

Fitostabilizacja

Przebieg procesu:
Fitostabilizacja polega na wprowadzeniu na

rekultywowany grunt gatunków mających
zdolność wytrącania zanieczyszczeń.

W celu zwiększenia efektywności procesu

przed wprowadzeniem roślinności można
wprowadzić do gleby substancje, które
zwiążą

zanieczyszczenia

w

formach

nierozpuszczalnych, niedostępnych

dla

roślin i nie stwarzających zagrożenia dla
zdrowia ludzi. Proces taki nazywany
chemofitostabilizacją.

Fitostabilizacja

Dodatki glebowe używane w procesie

fitostabilizacji powinny działać szybko i
długotrwałe, zapobiegać przemieszczaniu
zanieczyszczeń w głąb profilu glebowego
i pobieraniu ich przez rośliny poprzez
ograniczenie ich biodostępności.

Ponadto powinny być niedrogie, bezpieczne

w użyciu i nietoksyczne dla roślin,
zwierząt i ludzi.

Fitostabilizacja

Rodzaj dodatku

Stabilizowany

metal

Mechanizm

działania

Związki

fosforanowe

Apatyt,

nawozy

fosforowe, Na

2

HPO

4

,

K

2

HPO

4

Pb

Tworzenie

nierozpuszczalnych

związków fosforanowych

Uwodnione

tlenki żelaza

Odpady

zawierające

tlenki żelaza

As, Cd, Cu,

Ni, Pb, Zn

Sorpcja zanieczyszczeń

na powierzchni tlenków,

współstrącanie

lub

tworzenie

związków

żelaza z metalami

Substancja

organiczna

Gnojowica, komposty,

osady ściekowe, odpady

organiczne

As, Cd, Cu, Pb Sorpcja zanieczyszczeń,

wymiana

jonowa,

wbudowanie w materię

organiczną

Minerały ilaste Naturalne i syntetyczne

glinokrzemiany w tym

zeolity,

odpady

glinokrzemianowe

ze

spalania

odpadów

węglowych.

As, Cd, Cu,

Mn, Ni, Pb, Zn

Sorpcja zanieczyszczeń

oraz wymiana jonowa

Fitostabilizacja

Wybrane gatunki roślin przydatne do stabilizacji niektórych metali.

Metal

Gatunek rośliny

As (do 1250 mg kg

-1

) Topole (Populus sp.)

Cd (do 160 mg kg

-1

) Topole (Populus sp.)

Cr

Gorczyca sarepska (Brassica juncea)

redukuje Cr

6+

do Cr

3+

Cu

Trawy np. mietlica (Agrostis sp.),

kostrzewa czerwona (Festuca rubra)

Pb

Trawy

Zn (do kilkuset mg kg

-1

) Trawy

Fitostabilizacja

Gatunki stosowane do fitostabilizacji powinny
charakteryzować się:

• niewielką akumulacją zanieczyszczeń w
nadziemnej części rośliny.

• tolerancja na warunki lokalne (pH, zasolenie,
warunki wilgotnościowe).

• szybkim wzrostem, silnym systemem korzeniowym
oraz intensywna transpiracją.

• małymi wymaganiami agrotechnicznymi (wskazane
jest stosowanie roślin wieloletnich zdolnych do
samorozsiewania się)

Fitoekstrakcja

Fitoekstrakcja jest metoda rekultywacji

wykorzystującą zdolność roślin do pobierania z
gleby zanieczyszczeń i ich akumulowania w
nadziemnej części rośliny skąd mogą być
usunięte wraz z plonem.

Rozróżniamy;
- fitoekstrakcję ciągłą wykorzystującą rosliny o

wybitnych zdolnościach do akumulowania
pewnych zanieczyszczeń (tzw. hiperakumulatory)

- fitoekstrakcję indukowaną w której stosuje się

doglebowo związki indukujące zwiększone
pobieranie wybranych zanieczyszczeń przez
rośliny nie będące hiperakumulatorami.

Fitoekstrakcja

Zalety fitoekstrakcji:
• Stosunkowo niskie koszty
• Metoda przyjazna dla środowiska

(nieinwazyjna)

• Niewielkie zaangażowanie środków

technicznych

Fitoekstrakcja

Wady fitoekstrakcji:
• Zanieczyszczona biomasa musi być

zebrana i odpowiednio
zagospodarowana.

• Metale obecne w glebie mogą wywolac

efekt fitotoksyczny.

• Możliwość wprowadzenia

zanieczyszczeń do łańcucha
pokarmowego.

Fitoekstrakcja

Postępowanie z zebranym materiałem roślinnym.
Materiał roślinny zawiera znaczne ilości

zanieczyszczeń zatem powinien zostać

ograniczony dostęp dla zwierząt i ludzi do tego

materiału.

Zebrana biomasa powinna zostać wysuszona lub

kompostowana, a następnie złożona na

składowisku odpadów niebezpiecznych.

Ewentualnie można ją spalać lub stosować jako

wsad hutniczy.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie pirolizy.

Fitoekstrakcja

Stosowane gatunki roślin:
Rośliny z rodziny kapustnych

(Brassicaceae) np. gorczyca sarepska,
która produkuje dużą ilość biomasy i
akumuluje ołów, kadm, chrom, nikiel i
miedź.

Topole (Populus sp.) stosowane do

usuwania zanieczyszczeń zawierających
arsen i kadm, zalegających stosunkowo
głęboko pod ziemią.

Fitoekstrakcja

Pożądane cechy roślin wykorzystywanych

do fitoekstrakcji:

• Produkcja dużej ilości biomasy.
• Zdolność do akumulacji w częściach

nadziemnych dużych stężeń metali na
jednostkę biomasy.

• Odporność na podwyższone stężenia

metali w glebie.

• Przystosowanie do lokalnych warunków

klimatycznych.

Fitoekstrakcja

Fitoekstrakcja zachodzi w części korzeniowej.

Stąd

głębokość

korzenienia

się

roślin

wyznacza strefę efektywnej fitoekstrakcji. Da
większości fitoakumulatorów wynosi około 30
cm.

Oczyszczana

gleba

powinna

zapewniać

odpowiednie warunki do wzrostu roślinności i
pobierania przez nie zanieczyszczeń. Niekiedy
wymagane są więc dodatkowe zabiegi takie
jak neutralizacja lub wprowadzenie związków
zwiększających biodostępność zanieczyszczeń.

Fitoekstrakcja

Powodzenie procesu fitoekstrakcji zależy

od możliwości uzyskania dużej biomasy
z oczyszczanego terenu przy zachowaniu
optymalnych warunków. Niekiedy należy
wypośrodkować

zabiegi

pomiędzy

korzyściami płynącymi z uzyskania dużej
biomasy a stężeniem metali z roślinach.

Efekt zależy od rodzaju zanieczyszczenia,

gatunku rośliny oraz czynników takich
jak rodzaj gleby i warunki pogodowe.