زیست پالایی Bioremediation + نحوه عملکرد

زیست پالایی یا Bioremediation فرایندی است که طی آن آلاینده ها توسط موجودات زنده، عمدتا میکروارگانیسم‌ها، در شرایط کنترل شده تجزیه شده و به حالت غیر زیان‌آور می‌رسد، یا اینکه غلظت آن‌ها به حد کمتر از مقدار مجاز سازمان‌های قانون‌گذار می‌رسد.

علاوه بر میکروارگانیسم ها گیاهان و قارچها نیز عمل زیست پالایی را انجام می دهند. زیست پالایی برای نابودی مواد شیمیایی در خاک، آب زیرزمینی، فاضلاب ، لجن ، پسماند های صنعتی و گازها به کار می رود.بیشترین توجه هم اکنون در راستای نفت و فرآورده های نفتی معطوف شده است.

معیارهای لازم جهت استفاده از تکنیک زیست پالایی:

1-میکروارگانیسمهایی که به فعالیت کاتابولیکی نیاز دارند باید موجود باشند.
2-میکروارگانیسم های یاد شده باید توان تبدیل ترکیب را به سرعتی معقول داشته باشند.
3-ترکیب های هدف باید در دسترس ریز جانداران باشند.
4-شرایط محیطی باید به گونه ای باشد که رشد میکروبی یا فعالیت آنها را تشدید کند.
5-مکان آلوده فاقد غلظت ها یا ترکیب های شیمیایی باشد که برای گونه های تجزیه کننده بازدارنده است.

6-هزینه ی این فناوری نباید بیشتر از دیگر روش هایی باشد که می توانند ماده شیمیایی مورد نظر را نابود سازند.

 ادامه مطلب در ادامه...

زیست پالایی Bioremediation

زیست پالایی یا Bioremediation فرایندی است که طی آن آلاینده ها توسط موجودات زنده، عمدتا میکروارگانیسم‌ها، در شرایط کنترل شده تجزیه شده و به حالت غیر زیان‌آور می‌رسد، یا اینکه غلظت آن‌ها به حد کمتر از مقدار مجاز سازمان‌های قانون‌گذار می‌رسد.علاوه بر میکروارگانیسم ها گیاهان و قارچها نیز عمل زیست پالایی را انجام می دهند.زیست پالایی برای نابودی مواد شیمیایی در خاک، آب زیرزمینی، فاضلاب ، لجن ، پسماند های صنعتی و گازها به کار می رود.بیشترین توجه هم اکنون در راستای نفت و فرآورده های نفتی معطوف شده است.

معیارهای لازم جهت استفاده از تکنیک زیست پالایی:

1-میکروارگانیسمهایی که به فعالیت کاتابولیکی نیاز دارند باید موجود باشند.
2-میکروارگانیسم های یاد شده باید توان تبدیل ترکیب را به سرعتی معقول داشته باشند.
3-ترکیب های هدف باید در دسترس ریز جانداران باشند.
4-شرایط محیطی باید به گونه ای باشد که رشد میکروبی یا فعالیت آنها را تشدید کند.
5-مکان آلوده فاقد غلظت ها یا ترکیب های شیمیایی باشد که برای گونه های تجزیه کننده بازدارنده است.
6-هزینه ی این فناوری نباید بیشتر از دیگر روش هایی باشد که می توانند ماده شیمیایی مورد نظر را نابود سازند.

زیست پالایی چگونه عمل می کند؟

آنزیم های رها شده توسط میکروب ها،ماده آلاینده را به قطعات قابل هضم تجزیه می کنند.این قطعات به عنوان غذا توسط میکروارگانیسم ها،مصرف می شوند.پسماندهای بیولوژیکی بی خطر،همه ی آن چیزی هستند که از ماده آلوده باقی می مانند.آنزیم های منتشرشده توسط میکروارگانیسم ها ،فقط می توانند به یک سطح از ماده آلاینده حمله کنند و این منجر به کند شدن فرایند و تاثیر کمتر آن می شود.بیوسورفاکتانت های تولید شده توسط میکروارگانیسم ها ،به وسیله امولسیون کردن لایه آلوده ،آن را به ذرات ریزی می شکنند که حلال در آب هستند.و سپس می توانند توسط آنزیم ها احاطه شده و به سرعت هضم شوند.

فرمهای کلی زیست پالایی

1- Intrinsic Bioremediation:(زیست پالایی طبیعی و بی واسطه)
دنبال کردن فرآیند طبیعی تجزیه زیستی است و از طریق آن میکروارگانیسم های طبیعی موجود در محیط در همان شرایط طبیعی حذف آلودگی ها را تا سطح قابل قبولی انجام می دهند.

Biostimulation -2 :(تحریک زیستی)
در این موارد معمولاً جمعیت تجزیه کننده به اندازه کافی حضور دارد ولی شرایط محیطی برای فعالیت آنها مساعد نیست. با مساعد کردن شرایط محیطی می توان سرعت تجزیه زیستی را توسط میکرو ارگانیزم های خود محیط، افزایش داد.

3- Bioaugmentation :(تقویت زیستی)
این فرآیند شامل وارد کردن میکرو ارگانیزم های غیربومی به محیط طبیعی است که با هدف افزایش سرعت و یا گسترش تجزیه زیستی انجام می شود.

مزیت های زیست پالایی:

در محل قابل انجام است.
هزینه جابجایی ندارد.
به هم خوردن موقعیت محل حداقل است.
در مقایسه با دیگر شیوه های آلوده زدایی ،سیستم های زیستی ارزان تر اند.
عموم مردم با نظر مثبت آن را می پذیرند.
همراه با شیوه های دیگر قابل انجام است.
از نظر محیطی زیان آور نیست.
در 24 ساعت شبانه روز کار بی وقفه ادامه دارد

محدودیت های زیست پالایی

1-برخی از مواد شیمیایی توسط عامل های زیستی تجزیه پذیر نیستند.
2-فرآورده های جنبی زیست تجزیه ممکن است سمی تر و پایدارتر از ترکیب اصلی باشند.
3-آمیخته پیچیده ای از مواد آلی ممکن است در بر گیرنده ی ترکیبات بازدارنده باشند.
4-غلظت ماده اولیه ممکن است بسیار زیاد (سمی) یا بسیار کم (منبع ناکافی انرژی)باشد.
5-کاربرد عناصرغذایی و همچنین پس مانده ای که توسط ریزجانداران به وجود می آید می تواند برکیفیت محیط های آبی اثر نامطلوب بگذارد.

•زیست پالایی یک گزینه خوب نسبت به فناوری های پاکسازی متداول است. از این رو پژوهش ها در این زمینه در حال افزایش است. پالایش زیستی پاسخی به همه دشواریهای آلودگی نیست و کارآیی آن در هر مکان باید بر پایه اطلاعات مربوط به میکروبیولوژی ، هیدرولوژی ، زمین شناسی و شیمی آن محل تعیین شود.
در جایی که یک جمعیت میکروبی بومی با تواناییهای تخریب زندگی می کنند بهتر است که فعالیت آنها در همان محل تحریک شود نسبت به ورود میکروارگانیسم های غیر بومی که ممکن است در اثر رقابت بمیرند. آلاینده های مصنوعی و شیمیایی معمولا بسیار سمی هستند و به تعداد زیادی از میکروارگانیسم ها برای تجزیه احتیاج دارند و تنها هنگامی که میکروارگانیسم ها تشکیل جمعیتی بزرگ دادند می شود از آنها برای تجزیه مواد استفاده کرد.
بعضی مواقع عاقلانه تر است که از روش های بیولوژیکی به عنوان مکمل روش های شیمیایی استفاده شود که در این صورت هزینه های عملیات به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. این تکنولوژی علاوه بر میکروارگانیسم های طبیعی می تواند بر پایه ارگانیسم هایی که دستکاری ژنتیکی شده اند نیز برای تغییر شکل مواد آلی و ترکیبات معدنی به کار رود.می توان از روش های مهندسی ژنتیک برای طراحی میکروارگانیسم های خاصی با پتانسیل بسیار برای bioremediation استفاده کرد.در کشور ما نیز تحقیقات پراکنده ای در این زمینه انجام شده است.

فناوری زیست پالایی برای حذف آلودگی های نفتی در خاک و آب

فرآورده های نفتی از پرمصرف ترین مواد شیمیایی در دنیای مدرن امروز محسوب می شوند. با توجه به حجم عظیم سوختی که برای تولید نیرو در اتومبیل ها و ایجاد حرارت در خانه ها نیاز است و فراوانی دفعاتی که یک بشکه نفت منتقل و ذخیره می شود، تصادف و نشت آن اجتناب ناپذیر است. اعتقاد بر این است که کل میزان نفتی که ا زطریق فعالیت های انسانی و یا طبیعی وارد دریا می شود می تواند سطح همه اقیانوس های کره زمین را با ضخامت۲۰ مولکول بپوشاند. با توجه به اینکه نفت حاوی مواد شیمیایی خطرناکی نظیر بنزن، تولوئن، اتیل بنزن، زایلن، نفتالن و غیره است، می تواند برای سلامت گیاهان، جانوران و انسان مضر باشد.

 ختصاص می دهد اما به دلیل خسارات زیادی که به محیط زیست وارد می کند نگرانی بیشتری را بوجود می آورد. مطابق آمار ITOPF ، از سال۲۰۰۰ تا۲۰۰۸ تنها۱۹۶۰۰۰ تن نفت در اثر حوادثی که برای نفت کش ها پیش آمده وارد دریا شده است.

 کشور ما نیز جزو کشورهای نفت خیز جهان محسوب می شود و از این خسارات بی نصیب نمانده است. در دی ماه۱۳۸۸ یک چاه نفت در منطقه مارون خوزستان نشت کرد و در اثر آن حدود۲۰ هزار بشکه نفت وارد منطقه شد و۱۰۰ هکتار زمین را آلوده کرد. علاوه بر این قطعاً در مناطق نفت خیز کشور نظیر خوزستان خاک و آبها ی زیرزمینی در اثر فعالیت های انسانی و طبیعی دچار آلودگی می شوند ولی متاسفانه آمار دقیقی از میزان آلودگی نفتی در این مناطق در دست نیست.


  حذف آلودگی های نفتی

 آلودگی های نفتی به سه روش فیزیکی، شیمیایی و زیستی پاکسازی می شوند. برای حذف آلودگی آبها به روش فیزیکی ممکن است از ابزارهای جمع کننده مثل skimmer استفاده شود. در مورد خاک های آلوده نیز روش landfilling که نوعی سیستم دفن بهداشتی مواد آلوده است و یا سوزاندن به کار گرفته می شود. بعضی از این روش ها مثل landfilling و سوزاندن بسیار گران هستند علاوه براین سوزاندن باعث آلودگی هوا می شود. استفاده از skimmer نیز روش ساده ای نیست و برای نشت نفت در سطح وسیع آنچنان که باید مؤثر نیست. روش های شیمیایی شامل تزریق مستقیم اکسید کننده های شیمیایی به محیط است که منجر به تغییر ماهیت طبیعی محیط می شود. اما روش های زیستی که به طور معمول شامل تبدیل آلودگی به مواد غیرسمی با استفاده از فرآیندهای میکروبی است مؤثرتر و بی ضررتر به نظر می رسد.

 زیست پالایی یک فن آوری حذف آلودگی است که در آن سیستم زیستی برای تخریب یا تغییر شکل مواد شیمیایی زیانبار استفاده می شود. سه فرم کلی برای زیست پالایی وجود دارد:

  Intrinsic Bioremediation : دنبال کردن فرآیند طبیعی تجزیه زیستی است و از طریق آن میکرو ارگانیزم های طبیعی موجود در محیط در همان شرایط طبیعی حذف آلودگی ها را تا سطح قابل قبولی انجام می دهند. به طور کلی این اولین انتخاب برای حذف آلودگی به روش زیستی است به این دلیل که هیچ مداخله ای در آن صورت نمی گیرد و فقط روند طبیعی کار دنبال می شود.

  Biostimulation : در واقع بهبود شرایط محیطی نظیر اضافه کردن مواد غذایی یا هوادهی است. این روش هنگامی صورت می گیرد که سرعت تجزیه زیستی به طور طبیعی کم باشد و به همین دلیل میکرو ارگانیزم های موجود در محیط تحریک شده تا مواد شیمیایی هدف را تجزیه کنند. در این موارد معمولاً جمعیت تجزیه کننده به اندازه کافی حضور دارد ولی شرایط محیطی برای فعالیت آنها مساعد نیست. این شرایط نامساعد می تواند، نبودن اکسیژن، pH نامناسب، کمبود مواد مغذی به شکل معدنی، کمبود رطوبت و دمای نامناسب، باشد یا اینکه میزان در دسترس بودن ماده شیمیایی مورد نظر مطلوب نباشد. با مساعد کردن شرایط محیطی می توان سرعت تجزیه زیستی را توسط میکرو ارگانیزم های خود محیط، افزایش داد.

  Bioaugmentation : این فرآیند شامل وارد کردن میکرو ارگانیزم های غیربومی به محیط طبیعی است که با هدف افزایش سرعت و یا گسترش تجزیه زیستی انجام می شود. این روش معمولاً زمانی استفاده می شود که میکرو ارگانیزم های خود محیط قادر به تجزیه نباشند یا اینکه ماده آلوده کننده محیط ساختاری پیچیده داشته و از طیف وسیعی از ترکیبات تشکیل شده باشد. در واقع وقتی intrinsic bioremediation و Biostimulation نتایج قابل قبولی به دست نیاورند از این روش استفاده می شود. که به دلیل کم بودن جمعیت میکرو ارگانیزم هاست یا اینکه ماده شیمیایی هدف دیر تجزیه شونده یا سرسخت می باشد. به همین منظور باکتری هایی که توانایی انجام فعالیت مورد نظر را به طور طبیعی یا با استفاده از تکنیک های مهندسی ژنتیک داشته باشند مستقیماً وارد منطقه آلوده می کنند. در این روش اگر نیاز باشد مواد غذایی هم وارد می شود.

 هدف زیست پالایی نفت، تجزیه کامل هیدروکربن ها به آب و دی اکسید کربن توسط میکروارگانیزم است. این تکنیک نسبت به سایر روش های حذف آلودگی نفتی چندین مزیت دارد، که از جمله می توان به این موارد اشاره نمود: تبدیل مواد سمی به محصولات نهایی غیررسمی و بی خطر، هزینه پایین، کاهش اثرات جانبی روی سلامت انسان و محیط زیست، تاثیر طولانی مدت همراه با روش های غیرمخرب و بالاخره توانایی حذف آلودگی به صورت in situ و بدون اینکه لازم باشد اختلالی در اکوسیستم ایجاد شود.


  ساختار نفت

 نفت احتمالاً پیچیده ترین ترکیب آلی روی زمین است مشخص شده که بیش از۱۷۰۰۰ ترکیب شیمیایی در این ماده وجود دارد. نفت خام یک ماده یکنواخت و هموژن نیست. هر نفتی طیف متفاوتی از مواد شیمیایی را دارد که روی پایداری و تجزیه پذیری آن تاثیر می گذارد. نفت خام اساساً از هیدروکربن ها تشکیل شده است. این هیدروکربن ها که تعداد اتم کربنشان بین C۱ تا C۵۰ می باشد در سه گروه پارافینی (آلکان ها)، نفتنی (سیکلو آلکان ها) و آروماتیک قرار می گیرند. علاوه بر هیدروکربن ها نفت دارای مقدار کمی ترکیبات آلی گوگرد دار، نیتروژن دار و اکسیژن دار و مقدار بسیار جزئی ترکیبات آلی فلزی با پایه نیکل، وانادیم و آهن می باشد. از نظر تجزیه پذیری، نفت را می توان به چهار جزء هیدروکربن های اشباع، هیدروکربن های آروماتیک، مواد قطبی غیرهیدروکربنی مثل رزین و در نهایت آسفالتن تقسیم کرد.

 نفت سبک بیشتر از هیدروکربن های اشباع و آروماتیک تشکیل شده که دارای درصد کمی از رزین و آسفالتن می باشد اما نفت سنگین که ناشی از تجزیه نفت خام در شرایط بدون اکسیژن در مخازن طبیعی است هیدروکربن اشباع و آرماتیک کمتری دارد و بیشتر از ترکیبات قطبی، رزین و آسفالتن تشکیل شده است. هنگام تجزیه زیستی نفت خام در محیط طبیعی مواد مشابه ای با تجزیه نفت سنگین حاصل می شود. در چنین حالتی کمبود هیدروکربن های اشباع و آروماتیک همراه با افزایش نسبی ترکیبات قطبی (که به تجزیه زیستی مقاوم ترند) یک نشانه بارز تجزیه زیستی نفت خام در طبیعت است.

 به دلیل اینکه بیشترین قسمت نفت را هیدروکربن ها تشکیل می دهند، تجزیه آنها از لحاظ کمی مهمترین فرآیند حذف نفت از محیط است. لازم به ذکر است با اینکه ترکیبات آروماتیک و قطبی درصد کمتری از نفت خام را تشکیل می دهند اما پایدارتر و سمی تر بوده و به زمان بیشتری برای تجزیه نیاز دارند.

  میکروارگانیزم های مسئول تجزیه نفت

 باکتری های تجزیه کننده هیدروکربن اولین بار حدود یک قرن قبل جداسازی شدند. امروز حدود۷۹ جنس از باکتریها شناسایی شده اند که توانایی استفاده از هیدروکربن به عنوان منبع کربن و انرژی را دارند از مهمترین آنان می توان به جنس های Alcanivorax sp و Psuedomonas sp. اشاره کرد.

 نکته ای که باید مورد توجه قرار گیرد این است که این میکرو ارگانیزم ها تنها اجزای فرآیند زیست پالایی نفت نیستند و بخشی از یک شبکه اکولوژیکی هستند که به طور مستقیم و غیرمستقیم با سایر اجزای محیط در ارتباط هستند. در واقع عواملی مثل رقابت برای مواد غذایی محدود کننده، شکار شدن توسط پروتوزآ، لیز شدن به وسیله فاژها و برهم کنش های اشتراکی که سبب افزایش تجزیه زیستی می گردد بر فعالیت این میکرو ارگانیزم ها تاثیر می گذارند.

 بنابراین به منظور معرفی یک باکتری جدید برای زیست پالایی محیط های آلوده به مواد نفتی این مسائل باید در نظر گرفته شود.

  مکانیزم های تجزیه اجزای نفت خام

 اصولاً میکروارگانیزم ها با کمک۳ فرآورده اصلی زیر قادر به تجزیه هیدروکربورهای نفتی می باشند.

  آنزیم ها: همانطور که در قسمت بالا توضیح داده شد آنزیم های مونواکسیژناز و دی اکسیژناز مهمترین آنزیم های مؤثر در تجزیه هیدروکربورهای نفتی بوده و فرآورده های حاصل از فعالیت این آنزیم ها، الکل ها هستند، بنابراین با سنجش میزان الکل ها می توان پی به مقدار تجزیه هیدروکربورهای نفتی برد.

  بیوسورفکتانتها: مواد بیولوژیک دارای گروه های آب دوست و آب گریز در سطح سلول هستند و به وسیله تعداد زیادی از میکرو ارگانیزم ها تولید می شوند. براساس ساختار شیمیایی به گروه های گلیکولیپیدی، فسفولیپیدها، اسیدهای چرب و لیوپلی ساکاریدها طبقه بندی می شوند. بیوسورفکتانتها به وسیله امولسیونه کردن و آزاد کردن هیدروکربورهای جذب شده به مواد آلی خاک، سبب افزایش غلظت آبی ترکیبات هیدروفوبیک شده و باعث افزایش سرعت انتقال جرم می شود و به این وسیله به تسریع تجزیه زیستی کمک می کنند. از بیوسورفکتانتها برای پاکسازی تانک های ذخیره نفت، تصفیه فاضلاب های نفتی و تجزیه زیستی آلودگی های نفتی در مناطق خشکی و دریایی استفاده می شود.

  اسیدها و حلال ها: بسیاری از میکرو ارگانیزم ها قادرند با استفاده از هیدروکربورها به عنوان منبع کربن و انرژی، اسیدها و حلال های مختلف نظیر استن، انز، بنزن و اسید اگزالواستیک تولید کنند که باعث حل شدن هیدروکربورهای نفتی می شود. هیچ میکرو ارگانیزمی به تنهایی قادر به تجزیه کامل هیدروکربورهای نفتی به Co۲ و آب به عنوان محلول نهایی نیست. اصولاً از قارچ ها در محیط خاکی و از باکتری ها در محیط آبی بیشتر استفاده می شود. امروزه با کمک مهندسی ژنتیک چندین پلاسمید را درون باکتری ها به خصوص جنس سودوموناس قرار داده اند تا بتوانند چندین مشتق نفتی را به طور همزمان تجزیه کنند.

 محققان کانادایی چهار پلاسمید را درون سودوموناس پوتیدا قرار داده و سویه ای از مهندسی ژنتیک شده را تولید کرده اند که قادر است به طور همزمان نفتالین، پارافین، بنزن و آسفالتن را تجزیه کند. سودوموناس پوتیدا توانایی تجزیه هیدروکربورهای حلقوی معطر را دارد. سویه ای از TOL پلاسمید است. این پلاسمید را در جهت افزایش قدرت تجزیه کنندگی ترکیبات هالوژن دار حلقوی معطر از طریق کونژگاسیون (لقاح) B۱۳ از سودوموناس پوتیدا به سویه TOL تغییر داده اند.

  هدف پژوهش

هدف اصلی این پژوهش بررسی ژن های مسئول در تجزیه ترکیبات نفتی باکتری های مؤثر در زیست پالایی آلودگی های نفتی و انتقال این ژن ها به گیاهان مناسب و شناسایی گیاهانی که خود دارای قدرت تجزیه ترکیبات نفتی باشند و تقویت ژن های دخیل در گیاهان برای افزایش قدرت تجزیه ترکیبات نفتی جهت حفظ محیط زیست است.