SZ ÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

1. SZÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

2. Szénhidrogén szennyezések • Kőolaj eredetű szennyezésekkel az a probléma, hogy szénhidrogének és más szerves anyagok komplex keveréke: alkánok, alkének, elágazó szénhidrogének, cikloalkánok, aromás-, poliaromás vegyületek, kén-, ill. fémtartalmú vegyületek • Származási helytől függően az összetétel változó • Aerob-, anaerob mikrobiális bontás Aerob lebontás esetén oxigenázok szerepe jelentős Anaerob lebontás Fe(III)-, szulfát redukáló, denitrifikáló körülmények • Leggyakoribb bioremediációs eljárások szénhidrogén szenyezések esetén: landfarming (agrotechnikai), biopiling/composting (halmozás/komposztálás), bioventing (levegőztetéssel egybekötött in situ biodegr), biostimulation/bioaugmentation (ásványi-, felületaktív anyagok/mikroorganizmusok alkalmazása) fitoremediáció, bioreaktorok

3. Szénhidrogén szennyezések • a biológiai hatékony és ált. olcsóbb eljárás (számos mikroorganizmus bontja e vegyületek többségét) • Mivel sok komponens illékony, ezért számolni kell az abiotikus „veszteséggel” a párolgásnak, diszperziónak, fotooxidációs folyamatoknak köszönhetően • a vegyületek hozzáférhetősége, és a szennyezések össztétele befolyásolja a mikrobiális konzorciumok alakulását • A lebonthatóság csökkenő tendenciát mutat:n-alkánok > elágazó láncú alkánok > elágazó alkének > alacsony molekulasúlyú n-alkil aromások > monoaromások > ciklusos alkánok > PAH-ok >> aszfaltének • Számos mikroorganizmus termel felületaktív anyagot, mely vagy a sejt felszínére vagy az extracelluláris térbe jut

4. Alifás szénhidrogének (CH) mikrobiális bontása • Alkánok (paraffinok), alkének (olefinek), cikloalkánok, alkoholok, ketonok, éterek, epoxidok, észterek, karboxilsavak • Számos formája természetes körülmények között is előfordul • Ipari alkalmazás – oldószer, tisztítószer, üzemanyag, stb. • Toxikus hatás, többségük egészségre ártalmas • A környezetünkben élő mikroorganizmusok között sok aerob, anaerob CH bontó fajt találunk, azonban a kőolaj és kőolajszámazékok elbontása (azok összetettsége miatt) nem egyszerű folyamat, leggyakrabban kevert mikrobiális közösségek alakulnak ki e szennyezések elbontására • metán hasznosítók, Pseudomonas, Rhodococcus, Acinetobacter, Bacillus fajok

5. Alifás szénhidrogének aerob lebontása • A kezdeti lépéshez molekuláris oxigénre van szükség, monooxigenáz reakció • A szubsztrát természetétől és a mikroorg. enzimkészletétől függ, hogy milyen reakció megy végbe • Alkánok esetén főleg mono-, diterminális oxidáció • Monoterminális oxidáció a fő útvonal: alkohol, aldehid, zsírsav képződik. A zsírsavak β-oxidációja acetil-CoA-t eredményez. A lebontási termékek ált. a TCA ciklusba jutnak • A lánchossz növekedésével csökken a vízoldékonyság – lipofil tulajdonság, a hozzáférés csökken – mikróbák válasza: felületaktív anyagok termelése • Az elágazások szintén csökkentik a biodegradációs hatékonyságot • Aerob szénhidrogén bontó mikroorganizmusok egyik legjelentősebb a csoportja a Rhodococcusok, erős és változatos metabolikus aktivitásuk mellett képesek felületaktív anyagok termelésére is

6. Alifás szénhidrogének aerob lebontása • Alkánokat, alkéneket, cikloalkánokat aerob körülmények között bontó szervezeteket viszonylag könnyen izolálhatunk talajból, vízből, szennyvíziszapból • Általában monooxigenáz katalizálta reakciókat figyelhetünk meg, mely során az alkánból alkohol, az alkénekből epoxid vegyületek keletkeznek. A hidroxilált vegyületek sokkal fogékonyabbak a további biokémiai átalakításokra

7. n-alkán oxidáxió -Pseudomonas oleovorans plazmidon kódolt alkán hidroxilázzal indít Példák Elágazó alifás CH-k bontása -Pseudomonas citronellolis

8. Éterek bontása

9. Izoprén bontása – Rhodococcus sp. MTBE (metil tercier-butil éter) Főleg talajvíz szennyező, adalékanyagként, oldószerként használják Propán hasznosító baktériumok kometabolizmussal bontják - Mycobacterium vaccae

10. Alifás szénhidrogének anaerob lebontása • Oxigén hiányában • Folyamat lassú • Elektronakceptorként szulfátot vagy nitrátot használnak • Pl. szulfátredukálók, vasredukálók, denitrifikálók, metanogének

11. Példák szénhidrogén szennyezések bioremediációjára Ex situ: Benzin biodegradáció pilot-scale air biofilter Optimalizálás: biofilter mérete, biomassza mennyisége, szennyező anyag koncentrációja, áramlási sebesség On site: Fűtőolaj landfarming 2. Benzin + H2O2 katalitikus spontán bomlás kombinált rendszer levegőztetés In situ: 1. Benzin + nitrát talajszerkezet In situ: Nyers olaj : Exxon Valdez 37 000 tonna (1989 március) műtrágya – biostimuláció baktériumok – bioaugmentáció In situ: Nyers olaj : kombinált gőzextrakció pumpálás és air stripping bioremediáció Felületaktív anyagok - in situ, ex situ

12. Biofilterek alkalmazása bioreaktorokban Szilárd fázis-gáz fázisú ill. folyadék fázis-gáz fázisú biofilterek ált. Mikroorganizmusok összefüggő felületet képezhetnek (biofilm)szilárd hordozón, melyet bioreaktorba helyezve biofilterként képesek eltávolítani az illékony komponenseket a gőztérből Szilárd hordozó lehet: homok, talaj, komposzt, tőzeg, moha, cellulóz - legyen nedvesség megtartó, nagy porozitású Gáz/gőz fázisú szennyezőket átáramoltatják a biofilteren Lebontási sebesség növelhető: nagy fajlagos felület, nagy biomassza koncentráció megfelelő szubsztrát koncentráció Optimalizálás: koncentráció, áramlási sebesség mivel nagy térfogatokat kell kezelni minél nagyobb sebesség Eredményes, ha az effluensben nincs szennyeződés (valóban lebontás történjen, ne párolgás!)

13. Bioreaktor biofilterrel illékony szénhidrogén bontására

14. Landfarm • - nagy mennyiségű talaj kezelésére, • - relative alacsony költs. • nagy a siker valószínűsége • ma már kevésbé elfogadott, mivel pl. a finomítókban keletkező iszapot gyakran szennyezés mentes talajjal keverik, és utána bioremediálják. A talaj forgatása során nagy mennyiségű illékony alkotó elpárolog. • A kezelés végén, bár a szennyezés nagy része elbomlott, a maradék viszont főleg PAH-okat, egyéb nehezen bomló vegyületeket tartalmaz Tipikus „landfarm” sematikus rajza

15. Levegőztető rendszerek

16. Biostimuláció 1989 37 000 t nyersolaj Két megoldás együtt: 1. Customblen: oldékony tápa. polimerizált növényi olaj- kapszulából felszín alatti szennyezésre 2. Inipol EAP22: ásványi anyagokat tart. mikroemulzió felszíni szennyezésre

17. fotolizis párolgás Felszíni olajréteg tengerfelszín tengeriszervezetek szedimentáció mélytengeriszervezetek tengerfenék

18. Valdez Oil Terminal

19. Aerial View of Inipol Treated Test Site - 1989 Untreated Area Treated Area Inipol EAP 22 használata

20. Alternatív elektronakceptorok • A bioremediáció paraméterei között egyik legfontosabb az oxigén. Jelenléte/hiánya alapvetően meghat. a biorem. lehetőségeket • Oxigén hiányos körny-ben használhatunk alternatív e- akceptorokat: nitrát, szulfát, Fe(III), Mn(IV), vagy H2O2, MgO2 • Az egyes mikróbák esetén a kritikus oldott oxigén szint eltérő. A fakultatív anaerobok nagy jelentőségűek, mivel kevert elektronakceptorok környezetében képesek oxigént ill. nitrátot is hasznosítani, ált. a mikroaerofil környezetben találhatók. Ezek a mikróbák O2 jelenlétében aerob lebontási utakkal metabol., de az oxigénszint lecsökkenése esetén átkapcsolnak nitrát légzésre

21. Szerves szubsztrát Légzési elektrontranszport lánc

22. Alternatív elektronakceptorok H2O2 hátránya: gyors lebomlás, toxicitás, költséges MgO2 szilárd állapotban bejuttatva lassan oldódik be Nitrát, szulfát előnyös, mert nem drága, vízben oldódik

23. BTEX = benzol-toluol-etilbenzol-xilolok • Természetes előfordulásuk – nyersolaj, dízelolaj, benzin, • Ipari felhasználás: • Benzol: műanyag, nylon, peszticidek, festékek eá. • Toluol, xilolok: oldószerek • p-xilolt tereftálsav gyártásban haszn. • Etilbenzol: festékekben, tintában, műanyagokban, peszticidekben • Károsak a központi idegrendszerre, légzőrendszerre • Benzol: karcinogén • Tovaterjedésük: párolgás, talajvíz, vagy talajszemcséhez kötődnek • Biodegradáció (ha a körülmények adottak): aerob –katekol-, vagy katekol származékon keresztül anaerob – főleg denitrifikáló körülmények között benzoil coA központi intermedieren keresztül

24. BTEX vegyületek aerob degradációja Pseudomonas fajok di- vagy monooxigenáz enzimekkel

25. Bioremediációs lehetőségek BTEX eltávolítására • Biostimuláció, bioaugmentáció • Illékonyságuk miatt gyakran biofiltert alk. – filterágyon (tőzeg, komposzt, faforgács …) biofilm, szervesanyag és szükséges nedvesség tartalom is a levegőárammal jut a mikrobákhoz • Csepegtetőágyas biofilter – szintetikus, szervetlen közeget tart., a tápanyagok folyadék formában. Az előzővel szemben az előnye a pH, nedvességtart. pontosabb tartása • Rostágyas bioreaktor – kokultúrában P. putida, P. fluorescens, a bioágyon BTEX tart-ú szennyvizet áramoltattak át, oxigén forrás H2O2 volt (lényege, hogy nem hajtották ki levegővel az illékony bontandó szervesanyagot) • Szennyezés környékén végzett biodiverzitás vizsgálat eredménye: • Pseudomonas, Mycobacterium, Microbacterium, Azoarcus, Bradyrhizobium fajok • Néhány mikroorg-ban egyszerre több toluol bontó út is aktív volt • Legtöbb esetben dioxigenáz (todC1, xylE), monooxigenáz (tmo) enzimeket kódoló géneket fogtak ki, sokuk plazmidon kódolt – TOL plazmid

26. Szerves szennyező forrás metanogének Szulfát redukálók Fe(III) redukálók Nitrát és Mn(IV) redukálók Oxigénlimitált környezetben anaerob terminális elektronfogó folyamatok elkülönült zónákat alkotnak Valósz. annak következménye, hogy milyen e- akceptor van jelen

27. Eredeti állapot Szennyeződés után közvetlenül Szennyeződés után későbbi állapot Szennyezés Szennyezés Fe(III) redukálók metanogének Fe(III) redukálók Zónák kialakulása • Harc az e- akceptorokért (ált. a Fe(III) a legbőségesebb) • Fe(III) és szulfát jelenlétében a vas- és szulfátredukáló fajok az uralkodók, ha ez az elektronakceptor elfogy, megjelennek a metanogének (vasredukálók elnyomják a szulfátredukálókat is) • Ha Mn(IV) és/vagy nitrát jelen van, akkor szinte biztos, hogy először Mn(IV) és/vagy nitrát redukáló zóna alakul ki a szennyeződés körül

28. Fosszilis üzemanyagokban jelenlévő szerves kénvegyületek Mikrobiális kénmentesítés • A nyersolajban 0,05-5%, akár 14%-ban is jelen lehet a kén szerves kénvegyületekben - tiofének • üzemanyagokban szerves kéntartalmú vegyületek SOx savas eső • Fizikokémiai eltávolítása igen költséges • Biodeszulfurizáció: C-S kötés hasítása a C-C kötések megbontása nélkül • Főleg Rhodococcus fajok, de leírták Nocardia, Agrobacterium, Mycobacterium törzsekben is

29. Dibenzotiofén mikrobiális bontása Pseudomonas-sal Szulfát redukálókkal Rhodococcus-sal A kén kénforrásként hasznosul a sejtek számára

30. Biodeszulfurizációs eljárás sematikus ábrázolása A felszabaduló szervetlen kötésben lévő kén komponensek gátolják az enzimek aktivitását, ezért nagyobb átfolyási sebesség szüks.

31. Felületaktív anyagok szerepe • Surfactants=surface active agents • Szintetikus v. bio- • egy hidrofil (vízkedvelő) és egy hidrofób (víztaszító) részből állnak =amfifil A hidrofób rész általában egy hosszabb szénhidrogén lánc, a hidrofil „fej” gyakran tartalmaz anionokat v. kaionokat • Három csoport: anionos, kationos, nem ionos felületaktív anyagok • Növelik a bioremediáció hatékonyságát azáltal, hogy „hozzáférhetővé” teszik a vízben nem, vagy rosszul oldódó (hidrofób) molekulákat • Szintetikus anyagok hátránya, hogy nem bomlanak le természetes úton • Biofelületaktív anyagok előnye, hogy biológiailag lebonthatók • A felületaktív anyagok a sejtek membránjának permeabilitását is befolyásolják, ami lehet pozitív, de negatív hatás is

32. Felületaktív anyagok szerepe • Kis-, nagy molekulasúlyú f.a. - alacsony molekulasúlyú felületaktív a. (glikolipidek, lipopeptidek): csökkentik a fázishatár és a felszíni tenziót - nagy molekulasúlyú f.a. (amfipatikus poliszaharidok, fehérjék, lipopoliszaharidok, lipoproteinek) hatékonyan stabilizálják az ‘olaj a vízben’ emulziót, az olajcseppek emulzifikálásában vesznek részt alacsony koncentrációban (0,01-0,001%) a felületaktívanyag – szénhidrogén arány 1:100- 1:1000 a felületi feszültséget NEM csökkentik • A bioemulzifikáló anyagok a sejtszaporodás stacionárius fázisában termelődnek ált., indukálhatók • Bizonyos f.a. anyagok natimikrobiális jelleggel bírnak (pl. surfactin)

34. Termelő mikróbák • Felületaktív anyag termelő mikroorganizmusok: • Pseudomonas-ok pl.: rhamnolipidek • Rhodococcus fajok pl.: glikolipidek • Bacillus-ok pl.: lipopeptidek: surfactin • Acinetobacter törzsek: nagy molekulas. f.a.: emulzán • A mikrobák velük szabályozzák a sejtfelszíni tulajdon-ságaikat – hidrofobicitásukat • Termelődésüket a környezeti faktorok befolyásolják. Egyes baktériumok pl. nitrogén éheztetés mellett fokozottan termelnek • A felületaktív anyagok jelenléte hátrányos is lehet, főleg nagy konc-ban, a mikroorganizmusok membrán-szerkezetére is hatással lehetnek • egyes mikrobák bontják e vegyületeket

36. Pseudomonasokra jellemző Néhány felületaktív molekula szerkezete Glikolipidek: • Rhamnolipidek • Trehalolipidek • Sophorolipidek egyes élesztőkrejellemző pl. Torulopsis bombicola Rhodococcusokra jellemző

37. Bacillusokra jellemző Néhány felületaktív molekula szerkezete Zsírsavak, foszfopeptidek, neutrális lipidek: Lipopeptidek, lipoproteinek: viscosin surfactin subtilisin gramicidin polymyxin Acinetobacter-ekben Polimerek: Polimer f.a. pl: emulsan biodispersan liposan

38. Felületaktív anyag hatása a biodegradációra

39. liposzómák A fenti liposzóma szerkezet lehetővé teszi vízoldékony tápanyagok kapszulázását Pl. kazein kapszula a mellékelt grafikon szerint jelentősen javította a szénhidrogén bontás sebességét Kisebb molekulák, pl. nitrát kapszulázása nem szerencsés, mert nagyon gyorsan távozik a kapszulából. A kazein olcsó és elég nagy molekula, így jól használható nitrogénforrás