Epurarea biologică a apelor poluate cu metale grele

Introducere

Prezența metalelor grele în mediile acvatice afectează serios viața organismelor acvatice și omoară microorganismele ce participă la procesul de tratare a apelor uzate, ducând la o întârziere a acestui proces. Majoritatea sărurilor de metale grele sunt solubile în apă, de aceea formează soluții și nu pot fi separate prin metode de separare fizice normale (Hussein și colab., 2004).

Poluarea mediului înconjurător cu metale toxice a atras atenția publică în ultimele două decade. Una din cele mai mari surse de metale grele e reprezentată de industria mineritului (Li și Thornton, 2001). În afară de contaminarea provenită de la deșeurile miniere, scurgerile provenite din mine contribuie de asemenea la poluarea cu metale grele a râurilor din apropiere. Metalele grele eliberate în mediul acvatic se leagaă de pulberile aflate în mediu, care până la urmă sedimentează și sunt incorporate în sedimente. Sedimentul de la suprafață este cel mai important depozit pentru metale și alți poluanți în mediul acvatic. Poluanți ce sedimentează pot fi preluați de către rădăcinile organismelor macrofite acvatice. Poluarea apelor din preajma zonelor miniere și metalurgice a fost demonstrată de concentrațiile mari de metale grele prezente în apă, sedimente și în organismele acvatice (Demirezen și Aksoy, 2004).

În ultimii ani a crescut interesul pentru plantele ce acumulează metale, datorită posibilelor aplicații în remedierea diverselor situri poluate, acestă tehnică fiind denumită fitoremediere. O metodă de fitoremediere este fitoextracția, care folosește plantele acumulatoare de metale pentru a îndepărta poluanții din solurile contaminate prin concentrarea lor în partea superioară a plantelor (Salt și colab., 1998). În cazul apelor uzate ce conțin concentrații mari de metale grele, se pot utiliza de asemenea rădăcinile plantelor pentru a absorbi sau adsorbi poluanți (de exemplu rizofiltrarea). Organismele macrofite acvatice pot absorbi cea mai mare parte a sărurilor minerale fie din sedimente prin sistemul radicular, fie din apă prin intermediul frunzelor sau prin ambele moduri (Rai și colab., 2003). Studii anterioare au arătat că unele organisme macrofite acvatice pot acumula mari cantități de metale grele în țesuturile lor (Hozhina și colab., 2001).

Microorganismele preiau metalele fie activ (bioacumulare), fie pasiv (biosorbție) (Hussein și colab., 2003). Studiile de fazabilitate au arătat că pentru aplicațiile pe scară largă sunt mai utile procesele biosorbtive decât cele acumulative, deoarece sistemele vii au nevoie de adăugare de nutrienți și de o creștere a necesarului biologic de oxigen (BOD) sau a necesarului chimic de oxigen (COD) în efluent. Menținerea unuei populații microbiene sănătoase este dificilă, datorită toxicității metalelor și a altor factori de mediu nepotriviți.

Interacțiunea microorganismelor cu ionii metalelor grele

În conformitate cu actuala definiție acordată metalelor grele, acestea reprezintă grupul de metale cu densitatea mai mare de 5 g/cm3, drept pentru care se poate constata faptul că, dintre cele 90 de elemente chimice naturale existente în prezent, 53 aparțin acestei categorii.

Un interes practic deosebit îl prezintă în special următoarele metale grele: cromul, cadmiul, manganul, cobaltul, nichelul, mercurul, plumbul, zincul și fier, dar și elementul semimetalic reprezentat de arsen, datorită abundenței sale în mediul antropic, determinată de utilizarea sa intensivă în activitățile industriale.

Atât metalele, cât și elementele semimetalice există preponderent sub formă de cationi și oxianioni în soluții apoase sau ca săruri cristaline, oxizi sau precipitate amorfe insolubile.

Numeroasele sedimente existente în ecosistemele acvatice marine sau dulcicole sunt contaminate cu importante cantități de metale grele. Microorganismele din aceste sedimente pot exercita o influență semnificativă asupra biodisponibilității anumitor compuși ai acestor metale grele prin diferite mecanisme de interacțiune activă sau pasivă.

În acest context, au fost efectuate numeroase studii privind influența factorilor fizici, chimici și biologici asupra mobilității și toxicității ionilor de metale grele care sunt prezenți în apele marine.

Astfel, deși majoritatea microorganismelor utilizează anumite specii de ioni metalici pentru realizarea unor funcții structurale sau catalitice, concentrațiile mari ale acestora determină formarea unor complexe moleculare care, la rândul lor, conduc la efecte toxice.

Asemenea efecte toxice se manifestă prin inactivarea sistemelor de transport pasiv, prin membranele celulare care sunt capabile de a decela compușii cu structuri foarte asemănătoare.

Aceste situații au loc în cazul cationilor bivalenți, de tipul: Mn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+ și Zn2+, care transportă aceeași sarcină și posedă aproximativ același diametru ionic.

În special, metalele grele care posedă un număr atomic înalt, cum sunt Hg2+ și Cd2+, manifestă un alt tip de efect toxic asupra celulelor microbiene, și anume legătura specifică la grupările SH care determină inactivarea enzimelor.