Вуглеводні, як правило, легші за воду і, як правило, плавають у верхній частині грунтових вод. Однак, різні вуглеводні в суміші проявляють різні фізико-хімічні властивості, які відрізняються механізмом перенесення та способом видалення.
Наприклад, алкани з коротким ланцюгом, як правило, є дуже нестійкими і легко видаляються з підземних вод, тоді як моноароматичні вуглеводні, такі як бензол, толуол, етилбензол і ксилол як правило, відносно розчинні і транспортуються на більші відстані від підземних вод. Близько 60% розчинних у воді вуглеводнів також розчинні у бензині. Крім того, різні вуглеводні мають різний рівень опору до біодеградації. Таким чином, біодеградація і абіотичні процеси вивітрювання (наприклад, випаровування, сорбція та розведення) закінчується усуненням конкретних вуглеводнів, що змінює склад вуглеводневої сполуки з плином часу.
гідросфера забруднення біоремедіація мікроорганізм
Хлоровані аліфатичні та ароматичні сполуки становлять важливу групу органічних забрудників, які є досить водостійкими. Етиленхлориди потрапляють в клас хімічно стійких сполук, зазвичай відомих як "безпечні розчинники", тому що вони стійкі до горіння і вибуху. Ці сполуки широко використовуються в якості промислових розчинників і знежирюючих речовин з середини двадцятого століття. Поєднання широкого використання і хімічної стабільності призвело до широкого поширення забруднення підземних вод і грунту такими всюдисущими та непокірними забрудниками. Найпоширенішими органічними розчинниками цієї групи є: тетрахлоретилен, трихлоретилен, хлороформ і вінілхлорид. Всі ці речовини є потенційними канцерогенами. Забруднення підземних вод 1,1,1-трихлоретаном, тетрахлорметаном (CCl4) і хлороформом (CHCl3) є звичайним явищем.
Хлорвмісні розчинники як правило, мають більш високу питому вагу, ніж вода, і тому опускаються до нижньої частини водоносного горизонту. Вони представляють серйозну проблему для відновлення ділянок через їх наполегливість і відносну недоступність.
На відміну від хлорвмісних розчинників, хлорвмісні ароматичні сполуки, такі як гекса- хлорбензол і пентахлорфенол (які є загальними фунгіцидами,що використовуватися для збереження дерев) або поліхлоровані біфеніли (ПХБ, які є складовими діелектричної рідини в трансформаторному маслі) аналогічні поліциклічним ароматичним вуглеводням з точки зору їхньї потенційнї канцерогенності та ліпофільному характеру (тобто високій спорідненості до жирової тканини), що сприяє біоакумуляції. Ці сполуки також мають сильну тенденцію до поглинання грунтом.
Через використання у сільському господарстві пестициди являють собою важливе джерело забруднення грунту та підземних вод. Пестицидами, які забруднюють воду, часто є інсектициди, гербіциди, фунгіциди, хоча й деякі родентициди також знайдені. Пестициди є проблематичними речовинами, тому що вони дуже стійкі, призначені для тривалої дії, і більшість з них є ліпофільними-часто накопичуються в жировій тканині тварин (через харчові ланцюги).
За своєю хімічною структурою, пестициди можуть бути класифіковані як хлориди, фосфати і карбамати. Хлорорганічні, такі як ДДТ, альдрин, хлордан, ендрин, діелдрин, гептахлор, представляють ранні покоління пестицидів, які характеризуються екологічної стійкості та високою токсичністю. Сучасні пестициди, як правило, органо-фосфати і карбамати.
Органофосфати, такі як малатіон і діазинон не настільки стійкі у навколишньому середовищі, але більш токсичні для людини і можуть проникати через шкіру, легені і кишечник. Карбамати, такі як карбаріл також мають деякі побічні ефекти при безпосередній дії. Пестициди становлять вісім з дванадцяти найстійкіших стійких органічних забрудників, визначених Програмою Організації Об'єднаних Націй [1]. Це сполуки, які нещодавно були заборонені у всьому світі для виробництва через їх розповсюдження за допомогою атмосферних опадів, високу здатність до біоакумуляції, а також спричинення порушень ендокринної системи. Однак пестициди не були включені до списку з 25 пріоритетних забруднюючих речовин, що часто зустрічаються в місцях поховання небезпечних відходів в Північній Америці та Європі. Список найстійкіших органічних забрудників, виробництво яких було нещодавно заборонено у всьому світі.
1. Діоксин 2. Фуран 3. ПХД 4. ГХБ 5. ДДТ 6. Хлордан 7. Токсафен 8. Діелдрин 9. Олдрін 10. Ендрин 11. Гептахлор 12. Мірекс
Очищення відбувається на місці, що виключає перевезення небезпечних відходів та, відповідно, витрат. Небезпечні органічні відходи можуть бути знищені (наприклад, перетворені на H2O, CO2, і мінеральні солі), а не передані з однієї фази в іншу.
В основі біоремедіації лежать природні процеси біодеградації, які можуть бути швидшими та дешевшими. Мінімальний вплив на навколишнє середовище та землю.
Може впливати на гідрофобні забрудники, які важко вивести іншими шляхами. Не призводить до зневоднення акваторії. Може бути використаний в поєднанні з іншими технологіями очистки [2].
Деякі відходи, такі як важкі метали, не усуваються в біологічних процесах (хоча багато металів можуть бути відновлені або окислені на менш токсичні форми). На це може знадобитися інтенсивний моніторинг. Запорука успіху та ефективність видалення можуть значно змінюватися. Деякі забрудники можуть бути присутніми у високих концентраціях, що перешкоджає мікроорганізмам. Існує ризик накопичення токсичних продуктів біодеградації.
Вимоги до біоремедіації зображені у вигляді піраміди [2]
мікроорганізми
джерело акцептор
енергії електронів
вологість рН
поживні температура
речовини
відсутність видалення відсутність
токсинів метаболітів хижаків
біоремедіація
Згідно вимог до біоремедіації нам, по - перше, необхідна наявність мікроорганізмів з можливістю синтезувати необхідні ферменти. Ці ферменти каталізують метаболічні реакції, які часто призводять до виділення клітинної енергії і будівельні блоки для синтезу нового матеріалу клітини. Багато забрудників в процесі біодеградації залучаються до окисно-відновних реакцій.
Другий рівень піраміди показує, що мають бути присутніми відповідні джерела енергії - донори та акцептори електронів. Третій рівень свідчить про необхідність достатньої вологості і прийнятного рН, і четвертий рівень нагадує нам про важливість уникнути екстремальних температур і забезпечення наявності неорганічних поживних речовин, таких як азот, фосфор, і важкі метали. Нарешті, на базі піраміди, у нас є три важливі екологічні вимоги: відсутність високих концентрацій речовин, які є токсичними для мікроорганізмів, видалення метаболітів, які можуть перешкоджати мікробній діяльності і відсутність високих концентрацій найпростіших, які діють у відношенні до бактерій як хижаки.
Таким чином, інженери і вчені повинні задовольняти фізіологічні та харчові потреби цих мікроорганізмів.
Провідна роль в процесі самоочищення належить бактеріальній спільноті, що володіє потужною, різноманітною та рухомою ферментативною системою, що дозволяє переключатися на споживання з одних на інші джерела вуглецю і енергії. На теперішній час відомо багато сотень бактеріальних ферментів, однак не відомо в якій формі вони існують і діють в морській воді. Є дослідження, проведені на Чорному морі та в Севастопольській бухті, що послужили основою для розрахунку здатності морської води до самоочищення від нафтових забрудень [5].За розрахунковим даними ця величина становить 2000 т нафти на рік. У той же час реальні величини трансформації нафти бактеріями можуть значно відрізнятися від розрахункових, особливо в прибережній зоні. Бактеріальне окиснення нафти йде спільно з розкладанням інших органічних речовин, що прискорюють або уповільнюють трансформацію вуглеводнів. При цьому можливий синтез вуглеводнів, відсутніх у первісній нафті.
Деструкційні процеси за рахунок мікроорганізмів у водному середовищі відбуваються в два етапи: спочатку складні органічні речовини піддаються дії екзоферментів, відщеплюючи карбоксильний або амінний кінець ланцюга, а потім ендоферментів, що знаходяться всередині клітини і розщеплюють молекулу субстрату на більш дрібні фрагменти [3]. До числа цих процесів належить, зокрема, зменшення довжини вуглеводневого ланцюга, окиснення парафінів, аліфатичних кислот, нафтенів при руйнуванні нафти. У залежності від ряду умов процеси розкладання органичних речовини або доходять до кінця (тобто до утворення "простих сполук") або зупиняються на стадії утворення проміжних продуктів, які можуть бути більш токсичні для морської флори і фауни, ніж сама нафта.
Склад проміжних продуктів деградації нафти, а також співвідношення між вуглеводнями в нафті різних родовищ може мати значний вплив на швидкість самоочищення моря від нафтового забруднення. В експериментах з Луїзіанської нафтою відзначений взаємозв'язок між швидкістю утилізації і довжиною ланцюга н-парафінів: С10 і С15 утилізувались з вищою середньою швидкістю, ніж С20 і С25. Однак у венесуельській сирій нафті парафін С20 окиснювався з більшою швидкістю, ніж С15. Природно, що всередині нормальних парафінів в першу чергу окисненню піддаються легші сполуки.
Хоча циклопарафіни в цілому більш стійкі до бактеріального розкладання, ніж нормальні парафіни, однак наявність досить довгого парафінового бічного ланцюга сприяє їх окисненню. Це свідчить про те, що тривалість деградації циклопарафинів в сирій нафті буде залежати від присутності бічних ланцюгів і від відносно великої кількості нормальних парафінів.