Dlaczego bioremediacja mikrobiologiczna?

Transkrypt

1 Dlaczego bioremediacja mikrobiologiczna? Kompleksowa bioremediacja mikrobiologiczna w porównaniu z klasycznymi metodami rekultywacji jezior najczęściej stosowanymi w Polsce Prof. dr hab. Ryszard J. Chróst Biorem Ekoserwis: Bioremediacja i Monitoring Zbiorników Wodnych

2 Skutki eutrofizacji wód Wysokie stężenia N i P w wodzie (w szczególności P mineralnego wiosną i P organicznego w okresie letnim) Kumulacja biogenów w osadach dennych (głównie P i materii organicznej) Ø internal loading kolumny wody biogenami z osadów dennych Masowe zakwity fitoplanktonu: Ø dominacja cyjanobakterii (sinic) Ø wytwarzanie cyjanotoksyn

3 Skutki eutrofizacji wód Zakwit toksycznych sinic: Planktothrix agardhii, Aphanizomenon gracile, Aphanizomenon flosaque, Anabaena planctonica, Microcys>s aeruginosa w Jeziorze Suskim ( r.)

4 Skutki eutrofizacji wód Nadprodukcja materii organicznej w ekosystemie: Ø wzrost stężenia rozpuszczonych w wodzie substancji organicznych Ø podwyższenie ilości zawiesiny organicznej w wodzie Ø wzrost zawartości materii organicznej w osadach wzrost miąższości osadów dennych wypłycanie zbiornika Ø Spadek przezroczystości wody pogorszenie warunków fotosyntetycznego natleniania wody

5 Skutki eutrofizacji wód Deficyty tlenowe w wodzie i osadach dennych Ø spadek odczynu ph oraz redox środowiska Ø przewaga mikrobiologicznych procesów anaerobowych Ø zahamowanie mineralizacji materii organicznej Ø wzrost ilości toksycznego siarkowodoru Niekorzystne zmiany w biocenozie: Ø spadek bioróżnorodności gatunkowej Ø zmniejszenie bioróżnorodności funkcjonalnej Ø zakłócona równowaga ekologiczna homeostazy

6 Skutki eutrofizacji wód Znaczne ograniczenie przydatności zbiornika wodnego do celów: Ø gospodarczych (rybołówstwo, aquakultury, przemysł przetwórczy, źródła wody pitnej, rolnictwo, itp.) Ø rekreacyjnych (wędkarstwo) Ø sportowych (pływactwo, kajakarstwo, żeglarstwo, surfing) Ø turystycznych (agroturystyka) Spadek dochodów mieszkańców!

7 Metody rekultywacji jezior Nadrzędnym celem stosowanych metod rekultywacji zbiorników wodnych jest poprawa jakości ekologicznej wód i osadów dennych oraz podwyższenie lub przywrócenie utraconych walorów gospodarczych, sportowo-turystycznych i rekreacyjnych.

8 Metody rekultywacji jezior Wszystkie stosowane metody rekultywacji zbiorników wodnych polegają głównie na ograniczeniu przyczyn i skutków hypereutrofizacji zbiorników wodnych poprzez: Ø ograniczeniu dopływu zanieczyszczeń zewnętrznych do zbiornika (biogenów, w szczególności P i N, materii organicznej) Ø przeciwdziałaniu wzrostu nadmiernej biomasy fitoplanktonu (ograniczenie produkcji pierwotnej na skutek ograniczenia biodostępności biogenów (w szczególności fosforu) w wodzie i osadach dennych) Ø usunięciu ze środowiska niekorzystnych cech i skutków eutrofizacji wód i osadów dennych

9 Metody rekultywacji jezior Selektywne usuwanie wód hypolimnionu Sztuczne napowietrzanie jezior Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) Inaktywacja fosforu Metody biologiczne Ø bioremediacja mikrobiologiczna Ø biomanipulacja ichtiofauną Ø biofiltracja Ø fitoremediacja Najczęściej stosowane w Polsce

10 Sztuczne napowietrzanie jezior Główne wady metody Metoda bardzo energochłonna przez co bardzo kosztowna Efektywność napowietrzania i poprawa jakości ekologicznej zbiornika (wzrost jakości wody, poprawa bioróżnorodności, itp.) jest procesem bardzo długim, wieloletnim Zaprzestanie napowietrzania powoduje bardzo szybkie pogorszenie jakości ekologicznej zbiornika do stanu pierwotnego

11 Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) Główne wady metody Metoda bardzo droga Konieczność składowania osadów i ich kompostowania (kosztowne, niebezpieczne dla środowiska) Katastrofa ekologiczna dla zbiornika Ø Wraz z osadami usuwa się mikro- i makroorganizmy bentosowe Ø Duża mętność wody brak fotosyntezy glonów brak tlenu Ø Przyducha i masowe śnięcie ryb Nieprzewidywalne skutki bagrowania dla funkcjonowania zbiornika i jakości jego wód Ø Klarowanie wody trwa wiele miesięcy, w tym okresie jezioro nie spełnia żadnych funkcji gospodarczych i rekreacyjnych Ø Ustabilizowanie się jeziora jest okresem bardzo długim, kilkuletnim

12 Inaktywacja fosforu Polega na ograniczeniu biodostępności fosforu mineralnego poprzez jego wytrącenie z wody i/lub wody interstycjalnej osadów dennych przez chemiczne koagulanty. W zależności od zastosowanego koagulantu wytrącony na powierzchnię osadów dennych fosfor mineralny jest krócej lub dłużej immobilizowany i niedostępny biologicznie. Metoda wyłącznie pomocna w kontroli biomasy fitoplanktonu w zbiornikach limitowanych fosforowo. Często stosowana w Polsce z małą efektywnością! Zabiegi rekultywacyjne krótkotrwałe (3-4 lata!)

13 Inaktywacja fosforu W Polsce najczęściej stosowane są koagulanty oparte na wiązaniu fosforu mineralnego przez związki żelaza (PIX) lub związki aluminium (PAX). Wytrącone z wody i osadzone na powierzchni dna kompleksy fosforu z żelazem lub aluminium są nierozpuszczalne i stabilne wyłącznie w środowisku dobrze natlenionym, stają się rozpuszczalne w odtlenionych środowiskach i ponownie uwalniają fosfor do wody i osadów dennych powodując użyźnienie środowiska i wzrost produkcji biomasy fitoplanktonu (krótkotrwały efekt rekultywacji) Związki aluminium zawarte w PAX powodują skażenie toksyczne środowiska. Aluminium jest szkodliwe dla wielu organizmów wodnych (bakterie, ryby), a także dla użytkowników wody jeziornej (człowiek, zwierzęta gospodarcze, itp.)

14 Inaktywacja fosforu Najlepszym koagulantem do inaktywacji fosforu jest preparat Phoslock (opatentowany w 1998 r. w Australii, rzadko stosowany w Polsce) oparty na naturalnej glince kaolinicie wzbogaconej w lantan. Połączenie fosforu mineralnego z lantanem jest bardzo trwałe i nie zależy od stopnia natlenienia środowiska. Schemat działania Phoslock w jeziorach

15 Czy inaktywacja fosforu mineralnego jest wystarczająca w rekultywacji jezior? FORMY FOSFORU W EKOSYSTEMACH WODNYCH FOSFOR CAŁKOWITY FOSFOR MINERALNY FOSFOR ORGANICZNY Rozpuszczony w wodzie Partykularny, zawarty w biomasie i detritusie Wyłącznie ta postać fosforu możliwa jest do inaktywacji Te formy fosforu pozostaną w wodzie

16 Czy inaktywacja fosforu mineralnego jest wystarczająca w rekultywacji jezior? FORMY FOSFORU W WODZIE JEZIOR Wyłącznie ta postać fosforu możliwa jest do inaktywacji Te formy fosforu pozostaną w wodzie DIP = fosfor mineralny ortofosforanowy, średni % zawartości w puli fosforu całkowitego P-organic = fosfor organiczny, średni % zawartości w puli fosforu całkowitego w wodzie

17 Przemiany fosforu organicznego Fosfor partykularny Bakterie osiadłe Enzymatyczna solubilizacja Fosfor organiczny rozpuszczony w wodzie Polifosforany P mineralny ortofosforanowy

18 Inaktywacja fosforu Inaktywacja fosforu jako główna i jedyna metoda rekultywacji jest mało przydatna w jeziorach! Ø Koagulant może unieczynnić wyłącznie pulę fosforu mineralnego. Ø Fosfor zawarty w związkach organicznych nie zostanie zablokowany! jego mikrobiologiczna transformacja ponownie uwolni do wody i osadów ogromne ilości fosforu mineralnego stanowiąc pożywkę dla nadmiernego wzrostu biomasy fitoplanktonu

19 Metody biologiczne Zalety Oparte na ekologicznych prawach funkcjonowania ekosystemów wodnych Stosunkowo mało inwazyjne Wykorzystujące naturalne właściwości i interakcje międzygatunkowe Dosyć długotrwały efekt końcowy Wady u Wymagają długiego czasu stosowania i kontroli u Wymagają profesjonalnej wiedzy podczas kontrolowania zabiegów

20 Metody biologiczne Zmiany struktury gatunkowej ryb w piramidzie troficznej zbiornika (biomanipulacja) Struktury biologiczne o dużej filtracji zawiesiny (np. Dreisena polymorpha), lub dużej powierzchni czynnej porośniętej peryfitonem i biofilmami asymilującymi biogeny z wody Fitoremediacje Naturalne algicydowe (antyglonowe) właściwości słomy jęczmiennej zapory balotowe Metody wspomagające jedynie efekt podstawowej technologii rekultywacji zbiornika wodnego i wydłużające jego okres trwałości. Zbyt mało efektywne jako samodzielne technologie rekultywacji wód.

21 Metody biologiczne Bioremediacja mikrobiologiczna Ø Technologia oparta na wykorzystywaniu naturalnych właściwości degradatywnych specjalnie dobranych zespołów mikroorganizmów o dużym potencjale biochemiczno-metabolicznym do rozkładu i wykorzystywania substancji organicznych Ø Nieinwazyjna i bezpieczna w środowisku Ø Powoduje zarówno degradację zanieczyszczeń w wodzie jak i w osadach dennych Ø Oparta na procesach i interakcjach mikrobiologicznych w ekosystemie Ø Stosowana w zbiornikach wodnych od kilkunastu lat na świecie Ø W Polsce stosowana dopiero od 3-4 lat

22 Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Asymilacja materii organicznej 10-30% BIOMASA bakterii 70-90% ENERGIA Powstaje w drodze biologicznego utleniania (biologicznego spalania ) związków organicznych

23 Jak działają bakterie w jeziorze? CO 2 Materia organiczna Biogeny mineralne (m.in. PO 4 3-, NH 4+ ) BIOMASA

24 Losy biomasy w zbiornikach wodnych Konsumpcja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) przez mikroorganizmy pikoplanktonowe (głównie bakterie) inicjuje transfer cząstkowej materii organicznej w obrębie sieci pokarmowych do wyższych poziomów troficznych. Najważniejszym etapem w tym procesie jest biotransformacja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) do cząstkowej (partykularnej) materii organicznej POM wyłącznie przeprowadzana przez bakterie heterotroficzne i wytworzenie ich biomasy.

25 Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Aktywny metabolizm bakterii w procesach asymilacji i mineralizacji materii organicznej doprowadza do: produkcji biomasy bakterii, w której związane zostały znaczne ilości związków organicznych i biogennych (C, N, P, S) szybkiej konsumpcji wytworzonej biomasy przez bakteriożerców i organizmy zwierzęce z wyższych poziomów troficznych, których końcowymi ogniwami są gatunki o komercyjnym znaczeniu w gospodarce człowieka zasobami wodnymi (duże bezkręgowce, ryby, ptaki, ssaki). eksploatacja gatunków komercyjnych doprowadza do wyniesienia z ekosystemu dużej porcji materii organicznej w postaci odławianej biomasy zasadnicza część (70-90%) asymilowanej przez bakterie wodne materii organicznej jest mineralizowana w warunkach tlenowej respiracji do dwutlenku węgla (CO 2 ), soli mineralnych N, P, S

26 Bioremediacja mikrobiologiczna Na czym polega bioremediacja? Wysokoaktywne biochemicznie preparaty bakterii CO 2 O 2 Zanieczyszczenia organiczne Stymulują i przyśpieszają naturalne procesy obiegu materii organicznej i mineralnej w środowisku wodnym Biogeny mineralne (m.in. PO 4 3-, NH 4+ ) BIOMASA bakterii

27 Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna - KOBIOMIK (Etapy wstępne) Rozpoznanie i określenie zewnętrznych żródeł biogenów i zanieczyszczeń dopływających do zbiornika wodnego Analiza dynamiki zmian sezonowych podstawowych parametrów fizyko-chemicznych, biologicznych i mikrobiologicznych wody i osadów dennych Kalibracja zbiornika w skali mikrokosmosu w celu optymalizacji zabiegów kompleksowej bioremediacji mikrobiologicznej

28 Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna - KOBIOMIK (Etap 1) WIOSNA Inaktywacja fosforu Inokulacja wysokoaktywnych biochemicznie preparatów bakterii MONITORING chemiczno-biologiczny LATO Inaktywacja fosforu Inokulacja wysokoaktywnych biochemicznie preparatów bakterii JESIEŃ Inaktywacja fosforu

29 Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna - KOBIOMIK (Etap 2) WIOSNA Inaktywacja fosforu LATO Inokulacja wysokoaktywnych biochemicznie preparatów bakterii MONITORING chemiczno-biologiczny JESIEŃ Inaktywacja fosforu

30 Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna Podstawy biotechnologii KOBIOMIK 1. Wstępna inaktywacja fosforu mineralnego w wodzie w celu zahamowania nadmiernego rozwoju fitoplanktonu wiosennego, 2. Inokulacja toni wodnej i osadów dennych wysokoaktywnymi biochemicznie preparatami bakterii izolowanych ze środowisk naturalnych doprowadza do stymulacji mikrobiologicznych procesów rozkładu, transformacji i mineralizacji zanieczyszczeń organicznych w jeziorze, 3. Związki fosforu organicznego zawarte w wodzie, osadach dennych oraz w detritusie ( obumarła biomasa ) na skutek defosforylacji przez fosfohydrolazy mikroorganizmów (głównie fosfatazy, nukleotydazy) zostają przekształcone w mineralny fosfor ortofosforanowy 4. Uwolniony w procesach mikrobiologicznych fosfor mineralny zostaje trwale inaktywowany w postaci długotrwale nierozpuszczalnych w wodzie kompleksów rabdofanowych i zdeponowany na powierzchni osadów dennych jeziora

31 Kompleksowa Bioremediacja Mikrobiologiczna Podstawy biotechnologii KOBIOMIK Skutkiem naprzemiennego zastosowania procesów mikrobiologicznego rozkładu i defosforylacji zanieczyszczeń organicznych (bioremediacja) oraz inaktywacji fosforu mineralnego w wodzie i osadach dennych jeziora w wyniku zastosowania technologii KOBIOMIK dochodzi do: 1. Drastycznego spadku dostępności biologicznej zasobów fosforu w ekosystemie; 2. Poprawy jakości parametrów fizycznych, chemicznych i biologicznych wody i osadów dennych 3. Wzrostu przezroczystości i natlenienia wody 4. Oczyszczenia jeziora z nadmiernej ilości zgromadzonych zanieczyszczeń organicznych i mineralnych (de-eutrofizacja jeziora) 5. Wzrostu walorów przyrodniczych, rekreacyjnych i gospodarczych jeziora Technologia KOBIOMIK podlega zastrzeżeniu patentowemu

32 Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? Przykład 1. Jezioro Suskie Kąpielisko ( r.) Kąpielisko, r.

33 Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? JEZIORO KĄPIELISKO

34 Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? JEZIORO KĄPIELISKO

35 Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w jeziorze? TAK!!! Eksperymentalne zastosowanie bioremediacji mikrobiologicznej przez okres 8 tygodni na wydzielonym kąpielisku w Jeziorze Suskim podczas silnego zakwitu sinicowego było bardzo skuteczne w poprawie jakości wody jeziora

36 Czy bioremediacja mikrobiologiczna jest skuteczna w stawach? Przykład 2. Staw kolmatacyjny w Radomiu Przed zabiegiem bioremediacji, r. W trakcie zabiegu bioremediacji, r.

37 Bioremediacja mikrobiologiczna KOBIOMIK Dlaczego stosować kompleksową bioremediację mikrobiologiczną? «Naukowe podstawy bioremediacji mikrobiologicznej oparte są na naturalnych procesach samooczyszczania się wód «Jest skuteczna w jeziorach i stawach «Biotechnologia kompleksowej bioremediacji mikrobiologicznej jest bezpieczna dla środowiska i jego użytkowników, nie wprowadza do środowiska naturalnego mikroorganizmów patogennych i genetycznie zmodyfikowanych. Preparaty mikrobiologiczne zawierają bakterie stymulujące i przyspieszające przebieg naturalnych procesów samorzutnie zachodzących w środowiskach wodnych «Kompleksowa bioremediacja mikrobiologiczna zbiorników wodnych nie powoduje niepożądanych skutków ubocznych dla środowiska naturalnego «Wprowadzenie wspomagających technologii podczas kompleksowej bioremediacji mikrobiologicznej wyzwala synergistyczny dodatni efekt końcowy i wydłuża trwałość skutków rekultywacji jeziora (polepszenie jakości ekologicznej wód, wzrost atrakcyjności turystycznej i użytkowej, itp.)

38 Gdzie stosować bioremediację mikrobiologiczną KOBIOMIK «Płytkie jeziora i zbiorniki wodne «Płytkie zatoki dużych jezior «Stawy rybackie i hodowlane «Stawy miejskie i rekreacyjne «Laguny w oczyszczalniach ścieków «Starorzecza o niewielkim przepływie wód

39 Dlaczego stosować bioremediację mikrobiologiczną KOBIOMIK Zastosowanie bioremediacji mikrobiologicznej jest polecane w celu: «Dodatkowego natlenienia wód i osadów dennych «Wspomożenia naturalnych procesów samooczyszczania się wód «Usunięcia nadmiaru skumulowanej materii organicznej w wodzie i osadach dennych «Usunięcia nadmiaru osadów organicznych «Mineralizacji zasobów fosforu organicznego i unieczynnienia nadmiaru fosforanów mineralnych w wodzie i osadach dennych «Kontroli silnych zakwitów fitoplanktonu i eliminacji dominacji cyjanobakterii (sinic) «Wzrostu efektywności rybackiej gospodarki hodowlanej poprzez poprawienie jakości biologiczno-chemicznej i sanitarnej wód oraz poprawę ich bioróżnorodności

40 Dziękuję za uwagę