BIOTECHNOLOGIE STOSOWANE W ODNOWIE GLEBY
ZANIECZYSZCZONEJ SUBSTANCJAMI ROPOPOCHODNYMI
Paweł Kaszycki, Henryk Kołoczek
1. Wprowadzenie
Postępująca dewastacja i skażenie Srodowiska przyrodniczego, będące
skutkiem urbanizacji i działalnoSci przemysłowej człowieka, wymaga podjęcia
intensywnych zabiegów, mających na celu przywrócenie pierwotnego stanu wód,
powietrza i gleby. Znaczne obszary naszego kraju zostały skażone metalami
ciężkimi, chemicznymi Srodkami ochrony roSlin, jak również substancjami
pochodnymi przerobu ropy naftowej. Toksyczne skażenia wykluczają
wykorzystanie rolnicze tych ziem i stanowią zagrożenie wobec organizmów
żywych. W przypadku pojawienia się w glebie zanieczyszczeń substancjami
ropopochodnymi, skażona ziemia staje się odpadem zaliczanym do kategorii
tzw. odpadów niebezpiecznych, to znaczy szczególnie szkodliwych dla życia
biologicznego i prawidłowego funkcjonowania ekosystemów.
W Polsce problem tzw. gleby zaolejonej dotyczy tysięcy hektarów byłych
jednostek i lotnisk wojskowych, a także instalacji przemysłu rafineryjnego, stacji
benzynowych, przepompowni i baz paliwowych, eksploatacji cystern, obszarów
pod rurociągami, stacji obsługi maszyn i pojazdów. Skażenia w gruncie osiągają
niekiedy bardzo wysoki poziom, przekraczający wielokrotnie dopuszczalne
normy; często też obecne są na znacznych głębokoSciach, np. do 30 m na terenach
byłych poradzieckich lotnisk wojskowych. JednoczeSnie związki organiczne, takie
jak paliwa i oleje, wraz z rozpuszczonymi w nich toksycznymi uszlachetniaczami
oraz chlorowcopochodnymi i wielopierScieniowymi węglowodorami, wykazują
tendencję do migracji, zagrażając wodom gruntowym i powierzchniowym.
Działania na rzecz odnowy Srodowiska glebowego, czyli jego rekultywacji,
polegają na likwidacji zaistniałych skażeń, przywróceniu właSciwoSci
fizykochemicznych gleby oraz odtworzeniu mikroflory glebowej. O ile problem
neutralizacji szkodliwych Srodowiskowo zanieczyszczeń można rozwiązać dzięki
zastosowaniu różnorodnych metod fizycznych i chemicznych, to pełne
odtworzenie warunków Srodowiska naturalnego uzyskuje się dzięki wykorzystaniu
osiągnięć technologii biologicznych biotechnologii. Ponadto metody
biologicznego oczyszczania są o wiele tańsze, zazwyczaj prostsze w stosowaniu
i często efektywniejsze, a zrekultywowane grunty wykazują właSciwoSci zbliżone
do gleb niezanieczyszczonych [1-4].
41
Proces samorzutnego oczyszczania zaolejonej gleby jest często długotrwały
i wiąże się zarówno z przebiegiem spontanicznych reakcji fizykochemicznych,
prowadzących do rozkładu skażeń, jak i z występowaniem na danym obszarze
autochtonicznych organizmów żywych, przejawiających specyficzne aktywnoSci
enzymatyczne. Organizmy te zdolne są do tzw. bioremediacji zanieczyszczeń,
czyli ich unieszkodliwiania na skutek rozkładu i utlenienia biodegradacji,
przyswojenia asymilacji, bądx przetworzenia na nietoksyczne związki
chemiczne, czyli biotransformacji. Same zanieczyszczenia, jako związki obce
Srodowisku naturalnemu, słabo przyswajalne i trudno metabolizowane, są
ksenobiotykami. WSród organizmów dysponujących metabolicznym
potencjałem rozkładu ksenobiotyków wyróżnić można naturalnie zasiedlające
rejony skażeń mikroorganizmy pro- i eukariotyczne (głównie bakterie,
promieniowce i drożdże), grzyby, a także pewne gatunki roSlin, wykazujące
możliwoSci fitoremediacji. Należy jednakże zaznaczyć, że konsekwencją
wystąpienia skażeń o szczególnie wysokiej toksycznoSci, lub też zanieczyszczenia
ziemi na skutek nagłych awarii (wycieki spod rurociągów, wypadki cystern, awarie
pomp, itp.), może być całkowity brak życia biologicznego, uniemożliwiający
podjęcie procesu samooczyszczania Srodowiska glebowego. W takich
przypadkach przeprowadzenie bioremediacji zanieczyszczeń możliwe jest
wyłącznie po wprowadzeniu do gleby odpowiednio aktywnych drobnoustrojów,
tolerujących Srodowisko zanieczyszczeń.
W pracy poprzedzającej niniejszy artykuł [5] przedstawiono wybrane aspekty
metabolizmu ksenobiotyków węglowodorowych, w tym zwłaszcza szczególnie
uciążliwych związków aromatycznych, wskazując na możliwoSć wykorzystania
drobnoustrojów do neutralizacji skażeń Srodowiskowych substancjami
ropopochodnymi. Szczegółowe kierunki badań współczesnej biotechnologii
Srodowiskowej, obejmujące koncepcję wykorzystania rzadkich szlaków
metabolicznych, jak również sposoby izolacji, selekcji, adaptacji drobnoustrojów
oraz warunki rozwoju mikroflory w obecnoSci toksycznych związków
organicznych, zaprezentowano w innych pracach [6-13].
2. Biopreparaty aktywne konsorcja drobnoustrojów, przeznaczone do
likwidacji skażeń w glebie. Charakterystyka i zastosowanie
SpoSród szeregu opisanych dotąd sposobów biologicznego oczyszczania
zaolejonych gruntów i wód [1-5, 14, 15], większoSć oparta jest na intensyfikacji
procesu poprzez zastosowanie odpowiednio dobranych i przygotowanych
zespołów współdziałających ze sobą mikroorganizmów biocenoz lub
42
konsorcjów drobnoustrojów, wyspecjalizowanych pod kątem biologicznego
rozkładu okreSlonych typów zanieczyszczeń. Biocenozy te, zwane
biopreparatami, są kompozycjami drobnoustrojów o okreSlonym składzie
gatunkowym i proporcjach iloSciowych [6]. Wprowadzane są do Srodowiska
jako zaszczepy biologiczne (inoculum), gdzie umożliwiają dalszy efektywny
rozwój aktywnej mikroflory i znacznie wspomagają a niekiedy wręcz warunkują
procesy likwidacji skażeń.
Biopreparaty tworzy się na bazie starannie dobranych szczepów
drobnoustrojów, które są zazwyczaj wczeSniej izolowane z naturalnych siedlisk
zawierających dany rodzaj ksenobiotyków. Następnie, mikroorganizmy te
poddaje się starannej selekcji, adaptacji do Srodowiska okreSlonych
zanieczyszczeń oraz integracji z innymi szczepami, współobecnymi
w konstruowanym biopreparacie, tak aby wszystkie występujące gatunki
cechowały się dużą żywotnoScią i jednoczeSnie wykazywały aktywnoSci
o charakterze synergistycznym.
Intensyfikacja procesu bioremediacji skażeń w glebie polega następnie na
stworzeniu korzystnych warunków wzrostu mikroorganizmów, jak również na
optymalizacji biodegradacji z uwzględnieniem dodatkowych uwarunkowań
Srodowiskowych. I tak szybkoSć procesu biorekultywacji gleby zwiększa się
głównie poprzez odpowiednie jej natlenienie (aerację), ustalenie optymalnych
warunków pH i temperatury, dostarczenie właSciwych mikroelementów w postaci
specjalnie dobranych nawozów mineralnych, a także poprzez zwiększenie gęstoSci
aktywnie działającej biocenozy. Szczegółowa analiza biologicznych parametrów,
wpływających na jakoSć i szybkoSć procesów bioremediacji ksenobiotyków,
ma kluczowe znaczenie dla efektywnoSci ekonomicznej przedsięwzięcia [8].
W przypadku biodegradacji konkretnego rodzaju zanieczyszczenia pojawia się
koniecznoSć wykonania szeregu dodatkowych testów optymalizacyjnych dla
biopreparatów, przeznaczonych do zastosowania [10]. W analizach tych należy
uwzględnić między innymi charakterystykę skażeń pod względem iloSciowym
i jakoSciowym, okreSlenie szybkoSci procesu w różnych fazach rekultywacji gruntu
oraz stwierdzenie możliwej do osiągnięcia wydajnoSci biodegradacji, tzn. różnicy
pomiędzy początkowym i końcowym stężeniem zanieczyszczeń. Należy również
zwrócić uwagę na zdefiniowane mechanizmów reakcji biochemicznych
prowadzących do rozkładu skażeń, w tym stwierdzenie obecnoSci substancji
chemicznych hamujących proces, okreSlenie zapotrzebowania mikroflory na
makro- i mikroelementy, potrzeby zastosowania kosubstratów oraz dodatkowych
akceptorów elektronów, jak również możliwoSci pojawienia się toksycznych
związków poSrednich intermediatów metabolicznych.
43
Podczas prowadzenia prac nad oczyszczeniem skażonego obszaru, w sposób
ciągły prowadzone są obserwacje (monitoring) zawartoSci zanieczyszczeń
w rekultywowanym gruncie oraz systematycznie kontrolowany jest skład
biocenozy drobnoustrojów rozwijających się w glebie. W szczególnoSci,
dokonuje się analiz pod kątem obecnoSci bakterii patogennych, grzybów
chorobotwórczych oraz nieaktywnych drobnoustrojów.
Oczyszczona ziemia nie powinna wykazywać przekroczeń w odniesieniu do
normatywów, przyjętych dla okreSlonego obszaru sozologiczno-urbanistycznego.
W celu okreSlenia jakoSci gruntu poddanego rekultywacji mikrobiologicznej
wykorzystuje się wskazówki metodyczne PIOR [16], w których dokonano
klasyfikacji terenów dla ustalenia dopuszczalnych zawartoSci węglowodorów
oraz innych substancji chemicznych. Ze względu na charakter zagospodarowania
i użytkowania terenów wydzielono trzy obszary sozologiczno-urbanistyczne:
A, B oraz C, zdefiniowane następująco:
obszar A: tereny prawnie chronione (parki narodowe, rezerwaty), obszary
górnicze wód leczniczych, obszary zasilania użytkowych zbiorników wód
podziemnych oraz strefy ochronne xródeł i ujęć wód podziemnych;
obszar B: tereny upraw rolniczych (uprawy zbóż, pastwiska, sady), obszary
leSne, tereny zabudowy mieszkaniowej, rekreacji, wypoczynku oraz miejsca
użytecznoSci publicznej;
obszar C: tereny zakładów przemysłowych, magazyny paliw płynnych
i stałych, trasy komunikacyjne (drogi, torowiska), lokomotywownie, miejsca
składowania odpadów, poligony wojskowe, lotniska oraz tereny upraw roSlin
przemysłowych.
Ziemia skażona odpadami przemysłu rafineryjnego zostaje zakwalifikowana
przez uprawnionych rzeczoznawców do okreSlonej grupy odpadów, w oparciu
o ustawę o odpadach z 27 czerwca 1997 r. oraz wydane na jej podstawie
rozporządzenie Ministra Ochrony Rrodowiska, Zasobów Naturalnych i LeSnictwa
z 24 grudnia 1997 r. w sprawie klasyfikacji odpadów, w tym odpadów
niebezpiecznych [17]. Cytowane rozporządzenie klasyfikuje odpady według
xródła ich powstawania, dzieląc je na grupy, podgrupy i rodzaje. Substancji
odpadowej przypisany zostaje odpowiedni szeSciocyfrowy kod identyfikacyjny.
Biologiczny rozkład zanieczyszczeń w glebie z wykorzystaniem biopreparatów
jest niekiedy długotrwały i w zależnoSci od rodzaju skażeń, ich początkowej
koncentracji oraz stopnia toksycznoSci może trwać nawet kilka lat. Należy
podkreSlić, że tzw. kinetyka procesu, czyli czasowy przebieg bioremediacji
skażeń, jest zjawiskiem złożonym, wielofazowym i nieliniowym, co stanowi ważny
aspekt praktyczny przy planowaniu konkretnego projektu rekultywacji.
NajczęSciej, po początkowym okresie najszybszej degradacji, obserwowany
44
jest znacznie wolniejszy spadek poziomu zanieczyszczeń w glebie. Tę drugą fazę
można wprawdzie przySpieszyć poprzez zabiegi optymalizacyjne (patrz: wyżej),
jednakże powoduje ona wydłużenie czasu niezbędnego do osiągnięcia
zamierzonych, normatywnych stężeń ksenobiotyków. Na rys. 1, na przykładzie
biorekultywacji gruntów zawierających zanieczyszczenia pochodzące z przerobu
ropy naftowej, przedstawiono kinetykę biodegradacji związków organicznych
na wydzielonym stanowisku oczyszczania ziemi, poddanej rekultywacji za pomocą
specjalistycznego biopreparatu wytworzonego w laboratoriach Zakładu Biochemii
Akademii Rolniczej w Krakowie.
Rys.1. Przykładowa kinetyka biodegradacji skażeń naftowych w gruncie. Wyniki uzyskano na
podstawie monitoringu zanieczyszczeń na stanowisku oczyszczania w Trzebini (patrz tab.1).
Wprowadzanie zaszczepu (inoculum) aktywnych drobnoustrojów do gleby
zanieczyszczonej odbywa się w postaci zagęszczonego biopreparatu o gęstoSci
ok. 109 komórek/cm3, poprzez wielokrotne zraszanie powierzchniowe lub
bezpoSrednio w głąb ziemi, poprzez system odpowiednich otworów [6,7,10].
BezpoSrednio po zaszczepieniu w iloSci ok. 1 dm3 aktywnej zawiesiny na m3
skażonej ziemi, mikroorganizmom zapewnia się optymalne parametry fizjologiczne:
napowietrzania, pH, temperatury, wilgotnoSci oraz dostępnoSci czynników
biotycznych (sole mineralne, witaminy, koenzymy etc.). Wysoka gęstoSć komórek
w biopreparacie ułatwia ich transport w celu zaszczepiania gruntu. JednoczeSnie
powstaje możliwoSć intensyfikacji procesu poprzez zwiększenie gęstoSci inocu-
lum, jak np. w przypadku skażeń szczególnie trudno poddających się degradacji
biologicznej. Po wprowadzeniu biopreparatu do Srodowiska glebowego następuje
dalszy, dynamiczny rozwój aktywnej mikroflory, co warunkuje skutecznoSć
procesu likwidacji skażeń.
45
Specyficzne biopreparaty można wytworzyć każdorazowo na cele realizacji
projektu rekultywacji zanieczyszczonego terenu, w oparciu o wyosobnione ze
skażonej gleby drobnoustroje autochtoniczne. Jednakże w sytuacjach
uniemożliwiających szybkie pozyskanie mikroflory autochtonicznej, jak np.
w przypadku nagłych awarii i wycieków paliwa lub wysokiego poziomu
toksycznych związków, wykorzystuje się tzw. biopreparat bazowy [6.] Stanowi
on SciSle okreSlony gatunkowo zestaw mikroorganizmów pro- i eukariotycznych,
pozyskanych w ciągu wielu lat z terenów całej Polski, z różnorakich stanowisk
gleby i wód zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi, gdzie
drobnoustroje te występowały jako organizmy autochtoniczne. W efekcie,
powstała bogata, biologicznie zbalansowana biocenoza, na bazie której
przygotowuje się następnie aktywną zawiesinę drobnoustrojów służącą do
rozkładu konkretnego skażenia. Główną zaletą wielogatunkowego biopreparatu
bazowego jest jego bioróżnorodnoSć, która warunkuje wysoką opornoSć
biocenozy na heterogeniczne skażenia, duże zdolnoSci adaptacyjne do
Srodowiska zawierającego nowe ksenobiotyki oraz możliwoSć dalszej
specjalizacji pod kątem rozkładu okreSlonych skażeń. Jest to układ dynamiczny
i jego skład gatunkowy oraz aktywnoSć fizjologiczna może ulegać kontrolowanej
zmianie i ewolucji.
W biopreparacie bazowym oznaczano wielokrotnie zarówno gramujemne
pałeczki, jak i gramdodatnie laseczki i ziarenkowce należące do rodzajów:
Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Ochrobactrum, Chromobacterium,
Citrobacter, Micrococcus, Flavobacterium, Serratia, Alcaligenes, a także
mikroorganizmy eukariotyczne drożdże glebowe z rodzaju: Candida, Pichia
i Trichosporon. Stwierdzono, że większoSć oznaczonych szczepów
drobnoustrojów wykazywała bądx konkretne aktywnoSci enzymatyczne rozkładu
związków o długich łańcuchach węglowych, bądx też występowała w preparacie
jako symbionty, ułatwiając innym gatunkom proliferację w zawiesinie.
Obserwowano przy tym dominację mikroflory bakteryjnej należącej do
gramujemnych pałeczek z grupy Pseudomonadaceae. Bakterie te osiągały do
80% udziału w całkowitej liczebnoSci populacji biopreparatu i należały do nich
szczepy z gatunków: Pseudomonas stutzeri, P. fluorescens, P. pseudomalei,
P. mendocina, P. vesicularis oraz P. diminuta. Cechą charakterystyczną tej
grupy systematycznej jest niezwykłe bogactwo nietypowych szlaków
metabolicznych, co jest ważne z punktu widzenia degradacji złożonych i często
toksycznych pochodnych węglowodorów, a także wysoka zdolnoSć adaptacyjna
do różnych warunków Srodowiskowych, w tym również fakultatywne
przełączanie aparatu metabolicznego na warunki beztlenowe.
46
Wyosobnione z zanieczyszczonych siedlisk najbardziej aktywne szczepy
bakterii i drożdży glebowych po szczegółowej analizie zdeponowano, w postaci
czystej mikrobiologicznie, na podłożach stałych w banku drobnoustrojów
w Zakładzie Biochemii AR [6-8, 18, 19]. Utworzona kolekcja mikroorganizmów
jest obecnie wykorzystywana do opracowywania składu oraz konstrukcji nowych
mieszanych biocenoz, przeznaczonych do degradacji najbardziej uciążliwych
ksenobiotyków.
3. Technologie stosowane przy oczyszczaniu zaolejonej ziemi
SzybkoSć procesu bioremediacji skażeń w glebie jest zależna zarówno od
chemicznego charakteru zanieczyszczeń, jak i od struktury Srodowiska
glebowego. Dla przykładu, ziemie wykazujące duży stopień spoistoSci, jak np.
iły, gliny, mady, pyły, piaski gliniaste, wymagają dodatkowych zabiegów, mających
na celu zwiększenie stopnia przepuszczalnoSci dla wody, powietrza i bakterii.
Zaleca się wówczas intensyfikację napowietrzania oraz podanie zwiększonych
iloSci bakterii w zawiesinie wodnej aż do momentu powstania zmian, polegających
na rozluxnieniu struktury gleby. W przypadku biooczyszczania gleb piaszczystych,
cechujących się małą pojemnoScią sorpcyjną, wskazane jest natomiast częstsze
podawanie biopreparatu wraz z substancjami troficznymi, ale w mniejszych
jednorazowych dawkach, w celu uniknięcia wycieków i utrzymania odpowiedniej
wilgotnoSci (w granicach 45-60% pojemnoSci sorpcyjnej).
Ziemia zanieczyszczona związkami ropopochodnymi może być oczyszczana
następującymi metodami:
ex situ (off site), tj. z usunięciem ziemi z jej naturalnego położenia.
Rekultywacja gruntu tą metodą odbywa się na specjalnie przygotowanym
stanowisku technologicznym;
in situ (on site), tj. bez usuwania ziemi z miejsca jej naturalnego położenia.
Wymagane jest wprowadzenie biopreparatu bezpoSrednio do skażonego
gruntu w miejscu zaistniałego skażenia.
Obydwie metody umożliwiają skuteczną likwidację zanieczyszczeń
węglowodorowych poprzez ich rozkład biologiczny. Dobór najbardziej
odpowiedniej metody zależy od wielu czynników i dokonywany jest każdorazowo
po ocenie warunków Srodowiskowych, rodzaju skażeń (ich toksycznoSci,
stężenia) i dokonaniu odpowiedniego rachunku ekonomicznego (koszty związane
z wybraniem gruntu, transport).
I tak, technologia in situ preferowana jest w sytuacji braku możliwoSci
usunięcia skażonej ziemi, na przykład na obszarach przeznaczonych pod
47
budownictwo, terenach wałów przeciwpowodziowych, dróg, awarii miejscowych
pod rurociągami i instalacjami, skażeń dużych obszarów etc. Likwidacja skażeń
tą metodą wymaga znajomoSci geologicznej struktury gruntu, topografii skażeń
oraz kierunku przemieszania się wód gruntowych. Konieczne jest również
wykonanie dodatkowych zabiegów, mających na celu zapewnienie optymalnych
warunków wzrostu drobnoustrojów (podanie substancji mineralnych, troficznych,
kometabolitów, konstrukcja układu napowietrzania, systemu studzienek
wydobywczych i chłonnych oraz instalacji pomp z rurociągami ssącymi
i tłocznymi). Niemniej, przy spełnieniu powyższych warunków, jest to technologia
efektywna, umożliwiająca pełną likwidację zanieczyszczeń.
Metoda ex situ, jakkolwiek wiąże się z dodatkowym kosztem wywozu ziemi,
umożliwia skuteczniejsze wykonanie procesowych zabiegów intensyfikacyjnych
bioremediacji skażeń i w konsekwencji prowadzi do skrócenia całkowitego
czasu rekultywacji. Jej zalety to m.in.: łatwoSć dostępu do oczyszczanej gleby
uformowanej w postaci pryzm, łatwoSć nadzoru procesu oczyszczania i kontroli
parametrów procesowych, możliwoSć zapewnienia korzystnych warunków
rozwoju mikroorganizmów. W efekcie uzyskuje się stosunkowo szybkie tempo
rozkładu zanieczyszczeń, prowadzące do korzystniejszych wyników końcowych
procesu rekultywacji.
48
4. Wpływ technologii bioremediacji skażeń w glebie na otoczenie
Mikrobiologiczne oczyszczanie gleby skażonej organicznymi związkami
pochodnymi węglowodorów jest prowadzone w sposób bezpieczny dla
Srodowiska naturalnego. Kontakt gruntów zanieczyszczonych z terenem
bezpoSrednio przylegającym, prowadzący do migracji skażeń, uniemożliwiony
jest poprzez odpowiednie ekranowanie stanowiska oczyszczania, zarówno w
przypadku metody in situ, jak i ex situ. Zabezpieczenia systemowe gwarantują
brak wydostania się odcieków poza stanowisko oraz zapobiegają przedostaniu
się mikroorganizmów do atmosfery i stanowią wystarczającą ochronę gruntów
i wód gruntowych oraz powietrza przed skażeniem. Integralnym elementem
technologii są rutynowo prowadzone i systematyczne, kontrolne badania
monitoringowe Srodowiska naturalnego poza terenem stanowiska oczyszczania:
wód gruntowych i powierzchniowych oraz gleb i gruntów bezpoSrednio
sąsiadujących. Dokonywana jest przy tym zarówno ocena czystoSci pod
względem bakteriologicznym, jak i zawartoSci węglowodorowych substancji
organicznych.
5. Przykłady zastosowań metod biorekultywacji gleby zaolejonej
Przedstawione poniżej wybrane działania na rzecz biologicznej odnowy gleby
zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi pochodzą z bogatej i długotrwałej
praktyki autorów w zakresie likwidacji skażeń Srodowiskowych,
z wykorzystaniem osiągnięć współczesnej biotechnologii. Zaprezentowano
przykłady ukończonych projektów rekultywacji, prowadzonych metodą ex situ
oraz in situ, we współpracy z polskimi podmiotami gospodarczymi,
z wykorzystaniem specjalnie opracowanych biopreparatów. W tabelach 1 i 2
pokazano spektakularne wyniki biodegradacji wysokich początkowych
zanieczyszczeń w glebie, wraz z podaniem czasu prowadzenia procesu.
49
Tabela 1. Przykłady biorekultywacji ziemi metodą ex situ
Pochodzenie skażenia i charakter Stanowisko Początkowe Końcowe Aączny czas
zanieczyszczonej ziemi rekultywacji gruntu średnie stężenie średnie stężenie trwania
zanieczyszczeń zanieczyszczeń procesu
[mg/kg s.m] [mg/kg s.m] [miesiące]
Wycieki paliw ze stacji benzynowych Kościelniki 8 075 1 211 0.8
Ziemia wybrana z terenu stacji w Skawina 4 639 436 16
Skawinie
Stacja paliw w Limanowej Brzesko 6 155 335 7
oczyszczanie ziemi spod zbiorników
Ziemia z terenu modernizowanej stacji Olecko 3 800 919 9
w Olecku
Modernizacja stacji w Nowy Sącz 9 367 177 7
Zakopanem
Ziemia zawierająca osady i Trzebinia- stan. nr 2 17 470 602 3
pozostałości porafineryjne
Ziemia zawierająca osady i Trzebinia- stan. nr 23 993 6 652 6
pozostałości porafineryjne L1
Tabela 2. Przykłady biorekultywacji ziemi metodą in situ
Miejsce wystąpienia i charakter Początkowe Końcowe Aączny czas Uwagi
skażenia średnie stężenie średnie stężenie trwania
zanieczyszczeń zanieczyszczeń procesu
[mg/kg s.m] [mg/kg s.m] [miesiące]
Wyciek spod rurociągu- baza paliwowa 2 000 110 17 dwukrotny wylew
Olszanica w trakcie procesu
rekultywacji
Brzesko- teren byłej bazy CPN (stacja 51 076 680 25
przeładunku paliw)
Teren stacji transformatorowej 1 382 677 10 spadek poniżej
w Brzesku (skażenie gleby poziomu tła w ter.
po wycieku oleju transformatorowego) przemysłowym
poziom skażeń na
Stacja paliw 3 647 1 204 5
gł. 3,5 m
(wieloletni wyciek spod
zbiorników paliwowych bezpośrednie
zagrożenie wód Dunajca)
5.1. Bioremediacja skażeń metodą ex situ
Na przełomie roku 2000/2001 oczyszczano ziemię pochodzącą z wykopów
spod przeciekających zbiorników stacji paliw płynnych
w Zakopanem. Na skutek wieloletniej kumulacji zanieczyszczeń olejem
napędowym i benzynami, stężenie substancji ropopochodnych w glebie wybranej
z terenu stacji osiągało 10 000 mg/ kg s.m. Ziemia została przewieziona na
stanowisko oczyszczania w Nowym Sączu, a następnie uSredniona i rozdrobniona,
przy czym postępowano standardowo, według opisanego wyżej schematu
działań. Ponieważ w glebie tej nie stwierdzono obecnoSci aktywnych form
drobnoustrojów autochtonicznych, uformowaną pryzmę technologiczną zadano
biopreparatem bazowym w łącznej iloSci 1 dm3 zawiesiny/m3 ziemi, stosując
kilkakrotne zraszanie zawiesiną drobnoustrojów. Obserwowano dynamiczny
spadek sumy skażeń organicznych, osiągając rezultat poniżej 200 mg/kg s.m. po
7 miesiącach prowadzenia procesu (rys. 2). Oczyszczoną glebę przeznaczono
do wykorzystania jako ziemię pod tereny zieleni miejskiej.
Rys. 2. Oczyszczanie ziemi zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi na terenie
modernizowanej stacji benzynowej w Zakopanem metodą biologicznego rozkładu
zanieczyszczeń ex situ.
5.2. Bioremediacja skażeń metodą in situ
5.2.1. Rekultywacja gleby po wycieku oleju transformatorowego
Na skutek awarii transformatora, spowodowanej uderzeniem pioruna w roku
2001, na terenie stacji przesyłowej zakładów energetycznych wystąpił wyciek
oleju transformatorowego. Skażeniu substancjami ropopochodnymi uległ obszar
51
ok. 120 m2, położony w bezpoSredniej bliskoSci transformatora. W wyniku
zawartoSci w oleju substancji toksycznych, na obszarze objętym awarią zanikło
życie biologiczne. Badania i prace prowadzono w szczególnie trudnym okresie
jesień 2001 wiosna 2002, w niskiej temperaturze, radykalnie spowalniającej
fizjologiczną i biochemiczną aktywnoSć drobnoustrojów, a także przy dużej iloSci
opadów. Po sporządzeniu charakterystyki topografii skażenia dokonano ekstrakcji
skażeń z prób gruntu oraz wykonano testy toksycznoSci wydzielonych substancji
organicznych wobec kultur bakteryjnych. Następnie, przeprowadzono selekcję
mikroorganizmów w obecnoSci skażeń w celu wytworzenia specjalnie
adaptowanego biopreparatu.
Teren poddany rekultywacji zadano preparatem bakteryjnym trzykrotnie,
w łącznej iloSci 120 dm3, w paxdzierniku, listopadzie 2001 r. oraz w maju 2002 r.
Wentylację gruntu zapewniono poprzez zastosowanie systemu rur drenarskich.
W póxnym okresie jesiennym zastosowano dodatkowo zabieg umożliwiający
wydłużenie aktywnej bioremediacji poprzez przykrycie terenu agrowłókniną,
w celu zapobiegnięcia zamarzaniu powierzchniowych warstw ziemi. Po końcowym
etapie oczyszczania stwierdzono spadek stężenia skażeń olejem trans-
-formatorowym poniżej poziomu tła (obszar bezpoSrednio przylegający, teren
przemysłowy), zarówno w warstwie podpowierzchniowej gruntu (głęb. 10 cm),
jak i warstwie położonej na głębokoSci 70 cm (rys. 3). Po zakończeniu procesu
biologicznej rekultywacji gruntu zaobserwowano bujną wegetację trawy
bioindykatora zanieczyszczeń którą posiano na miejscu awarii.
Rys. 3. Rekultywacja gruntu skażonego olejem transformatorowym metodą biologicznego
rozkładu zanieczyszczeń in situ. Obserwacje na wybranym stanowisku monitoringowym.
52
5.2.2. Oczyszczanie gruntu w warunkach bezpoSredniego
zagrożenia czystoSci rzeki Dunajec
W obliczu zagrożenia katastrofą ekologiczną, na skutek migrujących w gruncie
skażeń pochodzących ze stacji benzynowej, prowadzono w latach 1999-2001
intensywne prace rekultywacyjne [21]. KoniecznoSć szybkiej likwidacji
zanieczyszczeń wystąpiła w północnej częSci miasta Nowy Sącz, w obrębie stacji
paliw i na terenach bezpoSrednio do niej przyległych, w tym pod nawierzchnią
ruchliwej, głównej drogi krajowej, na rozległym, płaskim tarasie, utworzonym
przez rzekę Dunajec, rzekę Kamienica i potok Lubinka. Na obszarze tym doszło
do znacznego skażenia wód podziemnych, przy czym obserwacje kierunku spływu
tych wód i kształtu plamy zanieczyszczeń wskazywały na niebezpieczeństwo
kontaminacji pobliskich studni gospodarstw domowych, jak również zagrożenie
zatruciem pobliskich rzek, w tym rzeki Dunajec. Wielopunktowe pomiary
topografii skażenia oraz stężeń substancji ropopochodnych w wodach
gruntowych i glebie wykazały obecnoSć największego skażenia, osiągającego
na głębokoSci 4 m wartoSć 5 700 mg/kg s.m., bezpoSrednio pod nawierzchnią
szosy. Uwzględniając specyfikę hydrogeologiczną omawianego terenu oraz
stopień skażenia, opracowano projekt likwidacji zanieczyszczeń z zastosowaniem
nowatorskiej w skali kraju, zmodyfikowanej technologii oczyszczania in situ
wód podziemnych oraz gleby. Na obszarze skażenia wywiercono szereg otworów
nawiewnych, wentylacyjnych, a także otwór czerpalny. Otwory te zostały
połączone systemem rur z układem pompy próżniowej zasysającej powietrze
przez biofiltr. Rola biofiltra polegała na zabezpieczeniu układu przed
wydmuchiwaniem flory bakteryjnej. Otwory wentylacyjne służyły równoczeSnie
do podawania biopreparatu bakteryjnego w głąb ziemi. Biopreparat podawano
do otworów wentylacyjnych w dużej gęstoSci (5 x 109 komórek/ ml), raz
w miesiącu. Ogółem w trakcie prac użyto ok. 450 dm3 aktywnej zawiesiny
mikroorganizmów. Po zakończeniu prac w lipcu 2001r ., analizy poziomu skażeń
wykazały, że koncentracja zanieczyszczeń w glebie nie odbiegała od norm
przewidzianych dla gruntów niezanieczyszczonych. Należy podkreSlić, że
niezwłocznie podjęte działania z wykorzystaniem intensyfikowanych metod
mikrobiologicznego oczyszczania gleby zapobiegły katastrofie ekologicznej
o znacznej skali.
53
6. Podsumowanie
W Polsce prowadzone są prace badawcze i wdrażane technologie
bioremediacji skażeń porafineryjnych mających na celu odnowę Srodowiska
zaolejonej gleby. Niestety, działania te są rozproszone, nieskoordynowane
i niedofinansowane. Potencjał finansowy rodzimych firm biotechnologicznych jest
bardzo ograniczony. Niewielkie jest jednoczeSnie przełożenie wyników badań
podstawowych na działania praktyczne. Dlatego też istnieje pilna potrzeba
współpracy instytutów badawczych i uczelni akademickich z podmiotami
gospodarczymi, zajmującymi się ochroną i rekultywacją Srodowiska. Ma to
szczególne znaczenie w kontekScie ochrony polskiej mySli technicznej, a także
firm krajowych oraz wielu potencjalnych stanowisk pracy, zwłaszcza wobec
obserwowanej stopniowej ekspansji konkurencyjnych przedsiębiorstw
zagranicznych. JednoczeSnie należy podkreSlić, że rozwój biotechnologii
wykorzystywanych na rzecz ochrony Srodowiska przyrodniczego w Polsce jest
zgodny z tendencjami obserwowanymi w gospodarkach rozwiniętych, a korzySci
wynikające z promocji biologicznych metod oczyszczania Srodowiska mają
aspekt nie tylko ekonomiczny, lecz również społeczny i ogólnocywilizacyjny,
umożliwiając zachowanie równowagi pomiędzy postępującą industrializacją i
urbanizacją, nowoczesnym rolnictwem, a nieskażoną przyrodą.
PiSmiennictwo
[1] Siuta J., 1997. Podstawy biodegradacji ropopochodnych składników
w glebach i w odpadach. Technologie odolejania gruntów, odpadów,
Scieków. I konferencja naukowo-techniczna, Gorlice-Wysowa Zdrój 1997,
Wyd. Ekoinżynieria, 119-130.
[2] Klimiuk E., Łebkowska M. Biotechnologia w ochronie Srodowiska.
Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2003.
[3] Surygała J., red. Zanieczyszczenia naftowe w gruncie , Oficyna
Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
[4] Łebkowska M., Muszyński A., Sztompka E., Karwowska E., MiaSkiewicz
E., 1997. Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów ze składników
ropopochodnych. Technologie odolejania gruntów, odpadów, Scieków.
I konferencja naukowo-techniczna, Gorlice-Wysowa Zdrój 1997, Wyd.
Ekoinżynieria, 115-119.
[5] Kołoczek H., Kaszycki P., 2004. Biologiczne mechanizmy oczyszczania
skażeń organicznych w glebie. Artykuł poprzedzający w niniejszej Monografii.
54
[6] Kaszycki P., Szumilas P., Kołoczek H., 2001. Biopreparat przeznaczony do
likwidacji Srodowiskowych skażeń węglowodorami i ich pochodnymi.
Biopreparaty w ochronie i użytkowaniu Srodowiska , Inżynieria Ekologiczna,
4: 15-22.
[7] Kaszycki P., Solecki T., Krawczyk A., Kołoczek H., 2000. Optymalizacja
metod biologicznego oczyszczania zaolejonych gruntów. Inżynieria
Ekologiczna, 2: 40-47.
[8] Kaszycki P., Krawczyk A., Kołoczek H., 2002. Stan i perspektywy
biodegradacji ropopochodnych zanieczyszczeń w glebach południowej częSci
Polski. Ekoinżynieria dla Ekorozwoju , Inżynieria Ekologiczna, 7: 15-22.
[9] Kołoczek H., Kaszycki P., Jaglarz A., Solecki T., 2003. Opracowanie procesu
biodegradacji zanieczyszczeń organicznych zawierających polichlorowane
bifenyle (PCB) w warunkach zagrożenia wód. Technologie odolejania
gruntów, odpadów, Scieków , Inżynieria Ekologiczna, 8: 59-70.
[10] Kaszycki P., Rcigalski A., Solecki T, Krawczyk A., Kołoczek H., 1998.
Wybrane kierunki prac nad biodegradacją zanieczyszczeń węglowodorami
w gruntach skażonych produktami naftowymi. Ekologia w dystrybucji paliw
płynnych 2000 Konferencja Naukowo-Techniczna, Kazimierz Dolny 1998,
str.136-142.
[11] Kaszycki P., Kołoczek H., Malec P., 1997. MożliwoSci zastosowania
mikroorganizmów, wykorzystujących rzadko spotykane szlaki metaboliczne,
w biodegradacji toksycznych składników Scieków przemysłowych.
Mikrobiologia Medycyna, 1: 3-8.
[12] Tyszka M., Kaszycki P., Kołoczek H., 1998. Metody współczesnej
biotechnologii w procesach biodegradacji zanieczyszczeń. 1. Ukierunkowane
modyfikacje biocenozy osadu czynnego z biologicznych oczyszczalni Scieków.
Ekologia i Technika, 6: 175-179.
[13] Augustynowicz J., Szaraniec B., Kaszycki P., Kołoczek H., 2004. Wpływ
trehalozy na procesy stabilizacji biocenoz biopreparatu przeznaczonego do
degradacji związków ropopochodnych. Acta Scientiarum Polonorum
Biotechnologia, 3: 3 12.
[14] Bieszkiewicz E., Mycielski R., Boszczyk-Maleszak H., Wyszkowska B.,
1997. Biodegradacja frakcji Scieków petrochemicznych przez bakterie
izolowane z zaolejonej gleby. Biotechnologia, 1: 71-77.
[15] Sztompka E., 1999. Biodegradation of engine oil in soil. Acta Microbiologica
Polonica, 48: 185-196.
[16] Wskazówki metodyczne dotyczące oceny stopnia zanieczyszczenia gruntów
i wód podziemnych produktami ropopochodnymi i innymi substancjami
chemicznymi w procesach rekultywacji. PIOR, Warszawa 1995.
55
[17] Rozporządzenie Ministra Ochrony Rrodowiska, Zasobów Naturalnych i
LeSnictwa z dnia 24 grudnia 1997r. w sprawie klasyfikacji odpadów.
Dz. Ustaw nr 162, poz. 1135, z 31.12.1997 r.
[18] Koloczek H., Czechowska K., Petryszak P., Kaszycki P., 2004. Biode-
gradation of oil derivatives with methylotrophic yeast isolates. Possible enzy-
matic links between the methylotrophic and hydrocarbon-degrading path-
ways. Bioremediation of soils contaminated with aromatic compounds: Ef-
fects of rhizosphere, bioavailability, gene regulation and stress adaptation.
NATO Advanced Research Workshop, 1-3 July 2004, Tartu, Estonia.
[19] Kaszycki P., Międzobrodzki J., Czechowska K., Petryszak P., Pawlik
B., Macura A.B., Kołoczek H., 2004. Trichosporon cutaneum KP01:
niekonwencjonalny metylotroficzny szczep drożdżowy, wyizolowany
z zaolejonego gruntu. Postpy Mikrobiologii, 43 Supl. 1:321.
[20] Muller-Margraf W., 1995. Bioremediation of soil. In: Methods in Applied
Soil Microbiology and Biochemistry , Academic Press Ltd., Chpt.11,
pp.529-546.
[21] Kaszycki P., Krawczyk A., Kołoczek H., Solecki T., 2001. Zastosowanie
nowatorskiej technologii oczyszczania gleby metodą biologiczną in situ
w warunkach zagrożenia wód Dunajca. Biopreparaty w ochronie
i użytkowaniu Srodowiska , Inżynieria Ekologiczna, 4: 9-14.
dr Paweł Kaszycki,
dr hab. Henryk Kołoczek, prof. AR
Zakład Biochemii
Wydział Ogrodniczy AR w Krakowie
Al. 29 Listopada 54, 31-425 Kraków
e-mail: paw@ogr.ar.krakow.pl
56
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Katedra Mikrobiologii i Biotechnologii StosowanejBiotechnologiczne metody wytwarzania substancji biologicznie czynnych stosowanych w kosmetykachWYKŁAD 1 Wprowadzenie do biotechnologii farmaceutycznejMetody i techniki stosowane w biologii molekularnejĆwiczenia z Mikrobiologii dla BiotechnologiiMontaz i stosowanie kotew KKOpinie uczniów gimnazjów na temat dostępności do nielegalnych substancji psychoaktywnych i przyczynbiotech opracowanie 1Opis zawodu BiotechnologWibroakustyka StosowanaStosowanie maszyn i urządzeń w produkcji mięsa i jego przetworowwięcej podobnych podstron