Oczyszczanie ścieków :
jest to proces technologiczny polegający na usuwaniu ze ścieków zanieczyszczeń i osadów oraz substancji w nich rozpuszczonych, koloidów i zawiesin.
Przy niewielkim obciążeniu zanieczyszczeniami ścieków oczyszczanie dokonuje się samoistnie w wodach naturalnych, zwłaszcza w rzekach (samooczyszczanie wód).
Oczyszczanie ścieków realizowane jest w oczyszczalni ścieków za pomocą metod, które dzieli się na: mechaniczne, fizyczne, chemiczne i biologiczne.
Pierwszy etap to oczyszczanie wstępne mechaniczne, w którym usuwa się zanieczyszczenia stałe nierozpuszczalne za pomocą krat i sit, zawiesiny ziarniste usuwane są w piaskownikach, a tłuszcze i oleje w odtłuszczaczach, małe zawiesiny i koloidy usuwane są w osadnikach w procesie sedymentacji.
W kolejnych etapach realizuje się oczyszczanie wykorzystując procesy fizykochemiczne, takie jak np.: koagulacja, filtracja, adsorpcja, odwrócona osmoza, destylacja, neutralizacja, wytrącanie i strącanie metodami chemicznymi. Substancje organiczne usuwane są przy oczyszczaniu biologicznym realizowanym przez procesy biochemiczne takie jak: fermentacja i gnicie.
Zwykle metody fizykochemiczne występują po metodach biologicznych !!!
Proces przebiega pod wpływem działania mikroorganizmów osadu czynnego w komorach napowietrzania lub rowach cyrkulacyjnych. Drobnoustroje osadu czynnego (bakterie i grzyby) rozkładają związki organiczne występujące w ściekach na substancje proste, jak: dwutlenek węgla, wodę i amoniak, a bakterie mułu dennego w procesie gnicia wytwarzają np. siarkowodór.
Osady powstające w procesach oczyszczania ścieków poddaje się dalszej obróbce w celu wykorzystania lub utylizacji.
Wykorzystanie mikroorganizmów :
każda forma zycia przeżywa i rozmnaża się ( i to jest jej celem ) – ma w tym czasie
zapotrzebowanie na związki budulcowe i energię. Materię biologiczną stanowią następujące pierwiaski – P, C, O, H, S, N a także pierwiastki śladowe. Komórka czerpie energię z utleniania zredukowanych źródeł pożywienia (węglowodany, białka, tłuszcze).
Przy nieodpowiednich proporcjach C:P:O:N:S – oczyszczanie zatrzymuje się napewnym etapie na
którym ścieków bakterie nie potrafią bardziej oczyścić, gdyż np. zabraknie im pewnych niezbędnych im do życia substancji. Gdy zakazano używania fosforanów w proszkach do prania, pojawiły się problemy z oczyszczaniem ścieków, ponieważ w ściekach było zbyt mało związków fosforu i zanim bakterie związały/usunęły całą resztę zanieczyszczeń, z powodu braku fosforu – po prostu umierały :/ – ścieki były nie do końca oczyszczone – dlatego wraca się do stosowania fosforanów w
proszkach do prania :).
W oczyszczalniach wykorzystuje się bakterie naturalnie występujące.
Ścieki:
Ścieki - to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp. W postaci ścieków odprowadza się odpadowe substancje przemysłowe oraz odpady żywnościowe i fekalia z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je oczyszczeniu w oczyszczalniach.
Na co jest zużywana woda z gospodarstw domowych:
38% - spłukiwanie toalet
31% - kąpiele
20% - pranie i mycie naczyń
6% - picie i gotowanie
5% - mycie zębów itp.
Ścieki – wody zawierające zanieczyszczenia wprowadzone w wyniku działalności życiowej i produkcyjnej człowieka oraz wody opadowe (np. deszczowe lub z topniejącego śniegu) i inne ( np. wpływy do kanalizacji z terenów zagospodarowanych).
W zależności od pochodzenia, ścieki dzielimy na:
- bytowo-gospodarcze ( gospodarstwa domowe )
- przemysłowe
- rolnicze
- opadowe
- wody podgrzane (powstają w procesach technologicznych chłodzonych za pomocą wody)
- komunalne - ścieki przemysłowe są na ogół (z wyjątkiem „ekstremalnych” zakładów chemicznych – np. garbarni, zakł oczyszczających miedź itp.) odprowadzane razem z bytowo- gospodarczymi jako
ścieki miejskie (komunalne) BZT5 tych ścieków wynosi od 200 do 300 mg tlenu/litr.
Celem oczyszczania ścieków jest:
- usunięcie patogenów
- usunięcie zawiesin i zanieczyszczeń mechanicznych
- zmniejszenie stężenia związków organicznych i nieorganiczncyh
Ścieki komunalne:
99% - woda
1% - sucha masa (i to ma być usuwane w oczyszczalni) – co w niej jest – od tego, czego jest
najmniej:
- najmniej mikroorganizmów – mikroorganizmy już obecne w ściekach są wykorzystywane
do oczyszczania tych ścieków
- związki fosforu
- związki azotu
- zawieszone subst. stałe
- materia organiczna (rozpuszczalna) ( Tego jest najwięcej )
Chemiczne i fizyczne metody oczyszczania ścieków :
ścieki przemysłowe, nie pochodzące z przemysłu spożywczego, są zwykle oczyszczane tylko tymi metodami.
Metody fizyczne – mogą być stosowane bez oczyszczania biologicznego, ale oczyszczanie biologiczne musi poprzedzać fizyczne (w sensie, że fizyczne zawsze jest przed biologicznym)
Filtracja na złożach piaskowych stosowana jest w przemyśle, jest tania.
Można stosować filtry o różnej przepuszczalności, Clarifiers – osadniki, dializa, elektrodializa, odwrócona osmoza – zaawansowane metody oczyszczania ścieków.
Usuwają 20 – 50 mg/l BZT
Filtracja :
- nie usuwa BZT, ChZT, rozpuszczonych fosforanów, azotanów, metali ciężkich
- usuwa 80% zawiesin
Filtracja powolna – gdy mamy jeden materiał filtru – np. filtry piaskowe
Szybka – filtry z kilku różnych materaiłów, wspomagana ciśnieniem, często złoża mają właściwości
sorbcyjne, jonowymienne
Inne techniki :
- mikrofiltracja – I etap – usuwa mikroorganizmy, nie usuwa zanieczyszczeń rozpuszczonych
- ultrafiltracja – II etap – usuwa mniejsze organizmy
- odwrócona osmoza
- dializa – siła napędowa różnica stężeń
- elektrodializa – różnica potencjału elektrycznego
- odwrócona osmoza –
- przepływ odwrotny do ciśnienia osmotycznego
- usuwa jony metali
- metoda uzdatniania wody (z procesu wychodzi woda pitna)
wymiana jonowa:
- w reaktorach kolumnowych
- stosuje się zeolity
- usuwanie jonów metali ciężkich
- regeneracja sorbentów – roztwory kwasów, stężonych soli
- Adsorbcja na węglu aktywnym:
- usuwa zanieczyszczenia organiczne
- związki wiążą się do powierzchni sorbenta
- stosowana jako doczyszczanie ścieków po oczyszczaniu biologicznym
- regeneracja – przez płukanie
- aktywacja węgla – przez podgrzanie go do około 1000 stopni celsjusza
Związki biogenne (zw. pochodzenia organicznego) : powodują eutrofizacje –
Eutrofizacja – proces wzbogacania zbiorników wodnych w substancje pokarmowe (nutrienty, biogeny), jest to wzrost trofii, czyli żyzności wód. Dotyczy to nie tylko zbiorników wodnych ale również ścieków.
Na początku procesu eutrofizacji następuje umiarkowany wzrost produkcji biologicznej, co jest korzystne i przekłada się na wzrost produkcji ryb, ale po przekroczeniu pewnej granicy obserwuje się już wiele niepożądanych następstw tego procesu takich jak:
1. masowy rozwój organizmów fitoplanktonowych powodujących w powierzchniowej warstwie wody tzw. zakwity i zmniejszających przezroczystość tej wody.
2. ustępowanie roślinności zanurzonej z powodu pogarszających się warunków świetlnych w strefie przybrzeżnej
3. wyczerpanie zasobów tlenu w warstwie przydennej
4. występowanie siarkowodoru, który podczas całkowitego braku tlenu może przechodzić do warstw powierzchniowych wody, ulatniać sie i zatruwać atmosferę w okolicy.
Biologiczne metody oczyszczania ścieków:
głównie oczyszczanie ścieków i odpadów organicznych
- optymalizacja – intensyfikacja procesów zachodzących w naturze
- metody tlenowe i beztlenowe (beztlenowe do ścieków bardzo mocno zanieczyszczonych)
- nie prowadzi się sterylizacji przed wejściem do oczyszczalni – wykorzystuje się bakterie,
naturalnie obecne w ściekach
- waźna jest kontrola na wejściu i wyjściu oraz w trakcie procesu oczyszczania
Różnice między oczyszczaniem ścieków a klasyczną biotechnologią:
- nie możemy sterować stężeniem substratu (oczyszczalnie nie decyduje o składzie ścieków, które mają oczyszczać)
- celem jest usunięcie substratu a nie wytworzenie produktu
- nie można komercyjnie wykorzystywać produktów
Procesy, zachodzące podczas biologicznego oczyszczania ścieków:
- stabilizacja – powolny rozkład
- mineralizacja – materia organiczna w nieorganiczną
- asymilacja – konwersja substancji organicznych w materiał komórkowy
- oddychanie endogenne – gdy jeden organizm żywi się innym
Etapy oczyszczania biologicznego:
- Flokulacja (wypadania osadu z koloidów – kłaczkowanie )
- Adsorbcja na powierzchni kłaczka
- Resorbcja – wchłanianie
- Desymilacja i asymilacja – pozyskanie energii i synteza biomasy
Podstawy biologiczne:
Wastewater - Ścieki – roztwór odżywczy
Dla bakterii heterotroficznych:
C:N = 12:1
C:P = 30:1
Ścieki komunalne są niedostatecznymi roztworami odżywczymi, za dużo w nich N i P w stosunku do C –czyli za mało energii
Ścieki posiadają różnorodny skład. WaŻne jest pH oraz obecność substancji działających toksycznie lub hamująco. Proporcje między podażą substratów a ilością osadu decyduje o stopniu oczyszczania
ścieków.
Procesy przemiany materii:
- energetyczne – wykorzystanie materii organicznej tylko do uzyskania energii w procesie
tlenowym. Powstają proste produkty nieorganiczne w postaci gazów lub soli : CO2, H2O,
azotany, siarczany
- budulcowe – materia organiczna przetwarzana jest w biomasę, która w osadnikach wtórnych oddzielana jest metodą sedymentacji i usunięta jako osad nadmierny.
Wykorzystywanie składników odżywczych:
1) węglowodany – głównie na biomasę
2) alkohole – głównie na biomasę
3) aminokwasy – szlaki energetyczne
4) kwasy organiczne – szlaki energetyczne
SPOSOBY oczyszczania biologicznego :
- metody ze wzrostem rozproszonym, organizmy są zawieszone
stosuje się osad czynny, BZT5, droższe, bo trzeba dodatkowo napowietrzać
Proces osadu czynnego:
Mikroorganizmy powstając tworzą kłaczki, które łątwo sedumentują. Kłaczki tworzą się dzięki zapewnieniu odpowiednich warunków procesu oraz właściwych mikroorganizmów. Szkielet kłaczka stanowią promieniowce, na nich osadzają się pałeczki, i inne bakterie. Dodatkowo na kłaczkach absorbuje się ChZT oraz metale ciężkie.
Osad czynny:
- metoda najbardziej elastyczna- można oczyszczać różne ładunki zanieczyszczeń
- bakterie agregują w kłaczkach
- metoda wrażliwa na metale toksyczne i niektóre ine zanieczyszczenia
- wymaga czystszego scieku niż inne procesy biologiczne
- recyrkulacja zapewnia stałe stężenie mikroorganizmów
- metoda wymaga dużych nakładów energetycznych
Stawy / rowy utleniające, laguny, stawy stabilizacyjne
- metody ze wzrostem unieruchomionym, organizmy są przyczepione do podłoża
stosuje się złoża zraszane, tarczowe złoża zanurzane (RBCs) , BZT10, BZT20 – trudno rozkładalne związki organiczne, metoda tańsza
Filtracyjne złoża biologiczne – żwir, porośnięty mikrofilmem bakterii (trickling filter)
- mikroorganizmy przyczepione do ciała stałego
- proces stabilny
- stosowane w przypadku wysokiego stopnia zanieczyszczenia
- odpowiednie dla ścieków o dużej zawartości zanieczyszczeń organicznych, na przykład z
przemysłu spożywczego. Tym samym rodzajem są zraszane złoża biologiczne, bo taka kolumna jest z góry spłukiwana ściekiem, w celu lepszego napowietrzenia ścieku
Mechanizmy, które są w oczyszczaniu biologicznym:
- utlenianie do CO2
- absorbcja
- gromadzenie biomasy
- procesy zewnątrzkomorkowe
- adsorpcja
Podczas procesu kontroluje się takie parametry jak:
- temperatura
- pH
- zawartość wody
- poziom napowietrzenia
- inhibitory, takie jak metale
- składniki odżywcze
Mikroorganizmy:
- bakterie – budują biomasę, są pożywieniem dla pierwotniaków
- pierwotniaki
- organizmy wyższe
oddychanie endogenne – np. to, ze pokarmem dla pierwotniaków są bakterie
SUBSTRAT > BAKTERIE > PIERWOTNIAKI >WROTKI > NICIENIE >OWADY
Na każdym etapie produkowany jest dwutlenek węgla - czyli zmniejsza się fizycznie ilość ścieków
Oczyszczanie przedwstępne
inaczej mechaniczne - 2 rodzaje procesów:
1) sita, kraty
2) żwirowniki, piaskowniki – oddzielenie żwirów, piasków
ten etap nie usuwa mikroorganizmów, BZT, ChZT, azotu, fosforu – usuwa tylko duże ciała stałe –
mogące uszkodzić aparaturę w oczyszczalni i część zawiesin. Mozna też zastosować rozdrabniacze –
silnik z obracającymi się ostrzami, które niszczą duże ciała stałe zanim te wejdą do oczyszczalni.
Oczyszczanie I stopnia – 30% BZT zostaje usunięte
Oczyszczanie II stopnia – 85% BZT usunięte
(te procenty są względem początkowej zawartości zanieczyszczeń w ściekach, czyli po II stopniu zostaje 15% tego, co było w ściekach na początku)
Osadniki wtórne – często ustawione w kaskady, po tym etapie powinno być usunięte 99% wszystkich
zanieczyszczeń.
Z 1 kilograma BZT powstaje 0,5 – 1 kg biomasy – tzw wydajność, z którą jest produkowany osad.
UWAGA! 1kg BZT, znaczy, ze to jest taka ilość zanieczyszczeń, do utlenienia której na drodze
biologicznej trzeba zużyć 1kg tlenu ( żeby czasem nie pomyśleć sobie, że to chodzi o 1 kilogram
zanieczyszczeń )
Usuwanie mikroorganizmów chorobotwórczych – prowadzi się fermentację, w
warunkach beztlenowych – otrzymuje się metan, który może zostać potem wykorzystany, ale proces jest powolny, w tlenowych – proces szybszy ale nie otrzymuje się cennego metanu.
Podczas fermentacji, nieważne czy tlenowej czy beztlenowej, temperatura osadu zwiększa się –
dzieje się to, bo reakcje prowadzone przez mikroorganizmy są egzoergiczne. Osad doprowadza się do temperatury 60 stopni celsjusza, w tej temperaturze ginie większość patogenów
(bo są one przystosowane do temperatury około 35 – 37 st. C )
Rodzaje osadów :
- pierwotny – (nie mylić z przedwstępnym)
- 3-8% ciał stałych
- 70% materia organiczna
- wtórny
- mikroorganizmy opadające i materia inertna
- 90% to materia organiczna
- osad nadmierny 0,5 – 2% suchej masy
- osad ze złóż biologicznych zraszanych – 2 – 5% suchej masy
- osady III stopnia
- w przypadku oczyszczalni chemicznych, zawierają prócz biomasy związkichemiczne, które są znacznie trudniejsze do rozkładu niż biomasa
- osady denitryfikacyjne – podobne do osadu nadmiernego
Osady ściekowe – mogą potem posłóżyć jako nawóz, ale nie do upraw żywności tylko do kwiatków, trawniczków, lasów itp.
Oczyszczanie końcowe – usuwanie patogenów – metody chemiczne są obecnie wypierane przez
sterylizację światłem UV. Skuteczność dezynfekcji danym czynnikiem zależy od dawki czynnika i
czasu kontaktu z czynnikiem. Stosowanie chloru jest niebezpieczne, gdy w wodzie są związki organiczne, tworzą się ich chlorowcopochodne, które są rakotwórcze.
Idealny czynnik dezynfekujący:
- seleektywny – szkodliwy tylko dla mikroorganizmów
- rozpuszczalny w H2O
- stabilny
- nietoksyczny dla człowieka, zwierząt, roślin
- łatwy do oczyszczania
- homogeniczny
Wydatki oczyszczalni:
- cele energetyczne
- chemikalia
- utylizacja osadów
- personel
- koszty zrzutu osadów na wysypisko
- koszty administracyjne
- naprawy i konserwacja urządzeń
Początkowe etapy oczyszczania są najtańsze, im dalej tym drożej :
10% - oczyszczanie mechaniczne
50% - II stopnia
40% - kolejne stopnie
Oczyszczalnia:
- komora osadu czynnego:
- reaktor – jednostopniowy reaktor ciągły z zawracaniem biomasy. Tyle samo materiału jest
doprowazdane i odprowadzane. W komorze osadu czynnego na wierzchu jest trochę piany.
Transport tlenu – przez mieszanie.
Do charakterystyki tej komory określa się objętościowy wydatek mocy, moc dostarczaną na
jednostkę objętości bezpośrednio, przez mechaniczne napowietrzanie lub przez napowietrzanie
przy użyciu systemu dyfuzorów napowietrzających.
Zaopatrzenie w tlen zależy od:
- Czasu przebywania ciał stałych dla procesu osadu czynnego zapotrzebowanie na tlen
- Powoduje to ustalenie zapotrzebowania mocy, która musi zostać dostarczona aby
zapewnić wymagane zapotrzebowanie na tlen.
Rozwiązania procesowe:
- stopniowe zasilanie:
- ściek jest dostarczany stopniowo w przepływie tłokowym, w komorze napowietrzania uzyskiwane jest bardziej jednorodne BZT. Ścieki są dodawane w kilku miejscach, żeby wartość F/M była duża w większej części reaktora.
- rów utleniający:
- rów zamknięty przez który przepływa ściek
- zwiększony stosunek F/M, niski czas przebywania
- proces o zwiększonym napowietrzaniu
- zwiększony czas napowietrzania, niski stosunek F/M aby zmniejszyć produkcję szlamu.
- napowietrzanie czystym tlenem
- dobre ale bardzo kosztowne
Rów utleniający (przepływ tłokowy, rów ma specjalne eprzegrody, żeby ściek dłużej przez niego płynął. W miarę przesuwania się ścieku przez reaktor, stopniowo maleje stężenie substratu. Długie, wąskie zbiorniki, F/M : 2 – 0,5, długie czasy przebywania. Dł zbiornika/wysokość >12/1 Rów taki pracuje jak ekwiwalent ośmiu komór napowietrzania, na początku musi być więcej aeratorów, im dalej tym jest ich mniej.
- stabilizacja kontaktowa
Biosorpcja zw. organicznych oraz ich dalsza biodegradajca są przeprowadzane w oddzielnych zbiornikach 2 zbiorniki – jeden kontaktowania i jeden stabilizujący. W kontaktowym – napowietrzanie, w stabilizującym – osad jest tam pompowany i jeszcze trochę ma czasu (żeby być zżeranym przez mikroorganizmy – chyba o to tu chodzi)
- systemy karuzelowe – ścieki i aeratory płyną, Ŝeby wszędzie było takie samo stęŜenie.
Quartenary treatment - oczyszczanie 4 stopnia :
polega na usuwaniu niebiodegradowalnych związków
głównym mechanizmem jest adsorbcja na węglu aktywnym.
Usuwane są związki organiczne : fenol, benzen i metale ciężkie -ponadto moze usuwać też chlor
Pozostałości to zw. organiczne i zużyty węgiel aktywny.
BIOREMEDIACJA – wykorzystuje takie procesy jak : biosorbcja, bioakumulacja, biodegradacja
Te procesy mają zastosowanie do ścieków zawierających ksenobiotyki, ścieków toksycznych –
bogatych w metale ciężkie. Również :
- utylizacji zużytych olejów, kwasów, PCB’s, metale ciężkie, detergenty, pestycydy, odpady
radioaktywne.
- Niektóre mikroorganizmy wykorzystują związki toksyczne jako pożywienie.
Zalety :
- moze byc przeprowadzona in situ ( w miejscu)
- trwałe usunięcie odpadów
- aprobata społeczna
- minimalne zniszczenie zanieczyszczonego miejsca
- brak kosztów transportu
- może być połączona z innymi technikami oczyszczania
Bioremediacja – oczyszczanie z wykorzystaniem organizmów żywych.
Bioremediacja:
- wykorzystanie organizmów żywych do rozkładu zanieczyszczeń lub do zapobiegania
zanieczyszczeniu przez oczyszczanie odpadów
- zastosowanie oczyszczania biologicznego w celu unieszkodliwienia niebezpiecznych
chemikaliów
BIOSORBCJA
1) na powierzchni organizmów żywych jes wiele grup obdarzonych ładunkiem, zwykle ujemnym,
toteż do tych grup mogą się wiązać dodatnio naładowane jony metali, działa to jak taka jakby
kolumna jonowymienna. Ten system jest bardzo wrażliwy na pH, w pH kwaśnym grupy są
uprotonowane i nie łączą się z jonami metali. W pH 1-3 stopień oczyszczzania z metali ciężkich
jest zatem bardzo niski, natomiast w pH 3-5 obserwujemy znaczny skok stopnia
oczyszczenia.proces ten można opisać izotermą langmuira (stosuje się ja do procesów adsorbcji,
w których mamy stałą liczbę miejsc wiążących substancję adsorbującą się.
BIOSORBCJA
1) przeprowadza się testy z pojedynczym jonem metalu
2) gdy już wiadomo jak sorbent łączy się z poszczególnymi metalami, prowadzi się testy na
ściekach
Jako biosorbenty:
1) tanie, łatwo dostępne:
a. osad czynny
b. odpady pofermentacyjne
c. glony
2) drogie – organizmy specjalnie namnożone po to, żeby były sorbentami.
Wyznaczanie izotermy adsorbcji:
Ważne czynniki to pH i stężenie sorbenta (ogranizmów). Im wyzsze pH równowagowe, tym wyższa wydajność procesu. Największe znaczenie w adsorbcji ma grupa COO-, jej pKa=około 3-4, czyli w pH powyżej około 4,5 osiągana jest równowaga (dalsze zwiększanie pH nie wplywa w przypadku tej grupy na wydajność).
Adsorbcję prowadzi się w mieszalnikach albo kolumnach. Biosorbenty zatężają stężenie jonów
około 1000-krotnie, potem ważne jest aby użyć takiego eluenta do ich wypłukania, żeby objetość
elucji była jak najmniejsza, tj. żeby jak najmniej rozcieńczyć te jony.Ważne jest także, żeby eluent
nie niszczył sorbenta. Stosuje się różne biosorbenty, biomasa nadaje się dobrze do wiązania
kationów, do aninonów niezbyt, bo na powierzchni komórek jest ładunek ujemny.
BIOAKUMULACJA:
Im wyższy poziom troficzny, tym więcej jest tam zakumulowanych szkodliwych związków.
Program REACH – wskazuje do jakich celów związek może być używany, kontroluje i
zastępuje innymi związkami związki toksyczne. Program polega na klasyfikowaniu nowych
chemiklaiów pod kątem ich potencjalnego zastosowania – czy dany związek może się znaleźć w
jakimś produkcie.
Ksenobiotyki
– związki organiczne, nie produkowane w procesach biosyntezy, często strukturalnie podobne do produktów naturalnych.
Struktura ksenobiotyku decyduje o jego biodegradowalności bądź toksyczności.
Metale ciężkie nie są ksenobiotykami.
MOGĄ one spełniać rolę źródła składników pokarmowych i energii, mikroorganizm włącza je w szlaki ale wpierw musi usunąć grupy blokujące – czyli halogenki i pierścienie aromatyczne
zawierają zwykle nienaturalnie występujące składniki strukturalne:
- heteroatomy (O,N,S) w szkieletach węglowych
- podstawniki halogenowe
- struktura rozgałęziona
- struktura spolimeryzowana
Cechy te powodują, że związek jest odporny na biodegradację.
Uwaga, trudnobiodegradowalne mogą być także składniki naturalne, np. ligniny.
Do rozkładu ksenobiotyków potrzeba specjalnych szczepów bakterii.
- ksenobiotyki szybko podlegają bioakumulacji, gdyż są nie metabolizowane przez organizm
- hydrofobowe ksenobiotyki nie są podatne na biodegradację
Przyklady ksenobiotyków – pestycydy, fenole, DDT, PCB’s, 2,4-D, 2,4,5-T, benzen, toluen, dioksyny,
chloroform, chlorek winylu
Sposoby usuwania :
1) degradacja na drodze fizycznej/chemicznej – obieg zanieczyszczeń w wyniku adsorbcji na glebie
3) bioakumulacja – degradacja albo produkt dead end – taki produkt, który nie może być dalej
rozkładany. Często produkt dead end jest niebezpeiczniejszy od ksenobiotyku, który komorka
pobrała
Biodegradacja:
- transformacja zanieczyszczeń organicznych (różnego rodzaju reakcje)
- zanieczyszczenia nieorganiczne nie są rozkładane, może być tylko zmiana stopnia utlenienia,
- enzymy obniżają energię aktywacji danej reakcji
Degradacja ksenobiotyków – warunki tlenowe lub beztlenowe, muszą być dostarczone składniki
odżywcze, ko-substraty dla reakcji.
Degradacja ksenobiotyków:
- mogą pełnić rolę źródła składników pokarmowych i energii
- mikroborganizm włącza te związki chemiczne do centralnych szlaków metabolicznych ale
najpierw my albo on sam musimy usunąć grupy blokujące biodegradację
Uwaga, jeśli dany związek ulega bioakumulacji, może być bardziej niebezpieczny niż związek, z
którego powstał. Biodegradacja może być przeprowadzona przez endoenzymy lub egzoenzymy
- nie wszystkie mikroorganizmy posiadają enzymy do biodegradacji danych związków.
- 3 grupy reakcji są ważne w biodegradacji – hydroliza, redukcja i utlenianie
Kometabolizm:
Kometabolizm - Niezależne współdziałanie dwóch organizmów, polegające na tym, że jeden z nich przypadkowo modyfikuje daną cząsteczkę nie odnosząc przy tym żadnych korzyści.Zmieniona cząsteczka staje się wtedy dostępna dla drugiego organizmu, który odnosi korzyć z jej rozkładu. W ten sposób jest metabolizowane np.: DDT. Proces tzw. ko-metabolizmu realizowany jest przez konsorcja mikroorganizmów.
Konsorcja mikroorganizmów:
Dwie lub więcej populacje mikroorganizmów, posiadających komplementarne funkcje metaboliczne,
które wspólnie prowadzą biodegradację danego ksenobiotyku.
Czynniki wpływające na biodegradację zanieczyszczenia w środowisku:
- struktura zanieczyszczenia
- czynniki środowiskowe
- dostępność
- stężenie mikroorganizmów
- zanieczyszczenia nie spotykane w środowisku są bardziej oporne na biodegradację
- struktura zanieczyszczenia wpływa na jego rozpuszczalność, sorbcję i lotność, które z kolei
wpływają na jego biodostępność
- podstawniki halogenowe, silne rozgałęzienie, obecność grup aromatycznych – zwiększają
trudność biodegradacji
Inne czynniki:
- pH
- struktura gleby
- wilgotność gleby
- temperatura
- potencjal redoks
- inne substraty
Uwaga – wprowadzone przez nas do środowiska bakterie mogą nie wytrzymać konkurencji z dzikimi mikroorganizmai, które już są w srodowisku.
Degradacja w warunkach tlenowych :
- degradacja szybsza i wydajniejsza
- węglowodory – najczęściej łatwo degradowalne w warunkach tlenowych
- gdy węglowodory mają atomy tlenu, mogą być degradowane w warunkach beztlenowych
Warunki beztlenowe
- węglowodory w tych warunkach są bardziej stabilne
- chlorowane węglowodory - łatwiej degradowalne
- dzikie szczepy wspłpracują przy degradacji zanieczyszczeń
Usuwanie metali:
- nie wykorzystywane jako material budulcowy – raczej jako kofaktory itp.
- nie są akumulowane w bakteriach w duzych stężeniach
- wysokie stężenia metali mogą powodować zmiany pH
- pH – determinuje biodostępność metali, mogą być rozpuszczane w jednym pH a wytrącać się w
innym
- Metalotioneina – ma duzo grup tiolowych, które dobrze wiążą się z metalami. Produkowana po
to, żeby „unieszkodliwiać” jony metali, gdy ich stężenie w środowisku jest zbyt duże i mogłoby
szkodzić bakterii.