Degradarea Aerobă a Compușilor Organici Poluanți - Hidrocarburi

Introducere

Produsele pe bază de hidrocarburi sunt o sursă importantă de energie pentru industrie şi pentru viaţa de zi cu zi. Petrolul este o materie primă pentru multe produse chimice, cum ar fi materialele plastice, vopsele şi cosmetice. Transportul petrolului pe glob este frecvent şi cantităţile de petrol stocate în ţările dezvoltate sunt enorme. În consecinţă şi frecvenţa unor deversări de petrol în mediul înconjurător este mai ridicată. Volumul deversat de hidrocarburi, de obicei, depăşeşte capacitatea mediului înconjurător de a se autoremedia şi prin urmare rezultă o importantă problemă ecologică.

Conceptul general de bioremediere a mediilor subterane contaminate cu petrol este unul foarte simplu şi se bazează pe capacitatea bacteriilor consumatoare de carbon de a utiliza hidrocarburile petroliere ca sursă de hrană şi de energie. Aceste bacterii consumatoare de carbon se află în mod natural în subsol şi ele descompun hidrocarburile petroliere în bioxid de carbon, apă şi biomasă. Pe lângă carbon, aceste bacterii au nevoie şi de un electron acceptor (oxigen) şi de o cantitate de nutrienţi (azot sau fosfor). Procesul de bioremediere accelerează procesul de biodegradare, iar atunci când poluarea încetează majoritatea bacteriilor dispar.

Procesul chimic detaliat al degradării hidrocarburilor este mult mai complex, astfel acesta implică înţelegerea proceselor microbiologice şi a reacţiilor biochimice care însoţesc procesul de biodegradare. De asemenea, aplicarea bioremedierii într-o anumită locaţie necesită cunoaşterea proceselor biochimice, microbiologice şi a condiţiilor locale. Bacteriile sunt organisme unicelulare care metabolizează hrana solubilă şi se reproduc prin fuziune binară. Celulele bacteriene au în general trei forme şi anume: bacili, coci şi spirale. Datorită faptului că sistemul de bioremediere se bazează pe dezvoltarea bacteriilor, este necesară cunoaşterea metodelor de măsurare a acestora. Astfel, două dintre cel mai des utilizate metode, atât în cazul solurilor cât şi al apelor subterane, sunt numărarea standard şi metoda celui mai probabil număr. Celula bacteriană este formată în cea mai mare parte din apă (70 - 90) %, la care se adaugă restul de până la 100% substanţă uscată (solidă). Din masa solidă, aproximativ (45 – 55) % este compusă din carbon, iar restul din oxigen, azot şi hidrogen. Având în vedere compoziţia masei celulare, cea mai răspândită formulă empirică, acceptată pentru celula bacteriană, este . Pentru dezvoltarea în condiţii optime, bacteriilor le sunt necesare anumite condiţii de natură fizică şi chimică. Condiţiile fizice se referă la pH şi temperatură, în timp ce, din punct de vedere chimic, celula bacteriană are nevoie pentru dezvoltare şi reproducere de o sursă de energie, carbon şi nutrienţi din mediul extern.

Sursa de energie pentru bacterii este reprezentată fie de energia solară, fie de energia chimică. Energia chimică poate proveni din surse organice sau anorganice. Organismele bacteriene pot utiliza această energie prin intermediul reacţiilor de oxido-reducere sau redox. Deşi organismele folosesc această energie pentru sintetizarea de celule noi şi pentru menţinerea în viaţă a celor deja existente, eficienţa de utilizare a acestei energii este destul de mică. Sursele de carbon pe care bacteriile le pot utiliza sunt componentele organice sau bioxidul de carbon. Pentru desfăşurarea procesului metabolic este necesară o cantitate de nutrienţi, precum azotul, fosforul, sulful, potasiul şi fierul. În urma procesului de metabolism rezultă apă, bioxid de carbon şi masă celulară nouă.

Pentru majoritatea sistemelor, atât sursa de carbon cât şi sursa de energie sunt reprezentate chiar de contaminant. În general, în sistemele in situ trebuie adăugaţi numai macronutrienţi (azot şi fosfor), în timp ce micronutrienţii se găsesc în cantităţi suficiente în sol.

În afara celor trei condiţii chimice de bază pentru dezvoltarea şi reproducerea organismelor trebuie îndeplinite şi următoarele deziderate:

• existenţa unui donor de electroni, care să se comporte ca o sursă de reducere;

• existenţa unui acceptor de electroni, care să oxideze agentul reducător cu scopul de a pune la dispoziţie mijloacele de eliberare a energiei înmagazinate în molecule;

• prezenţa apei, ca un component esenţial în procesul metabolic.

Metabolismul este termenul utilizat pentru descrierea tuturor transformărilor biochimice care au loc la nivelul organismului viu. Prin intermediul procesului metabolic celulele primesc energie şi dezvoltă mase celulare noi. Aceste reacţii sunt accelerate sau catalizate de enzimele care iau parte la reacţii. Metabolismul este un proces deosebit de complex, care include procese precum: biosinteza, asimilarea, ingerarea şi întreţinerea celulelor, dar şi reacţii biochimice. Aceste reacţii presupun ruperea atomilor de hidrogen, crearea legăturilor fosfatice şi difuzia moleculară. Procesele metabolice fundamentale sunt bazate pe reacţii chimice simple, comune tuturor organismelor vii. Astfel, celulele utilizează carbonul din surse externe pentru crearea materialului celular. Mai apoi, celulele care se hrănesc cu componente organice în prezenţa agentului reducător şi a potenţialului oxidant folosesc hidrogenul ca sursă de energie reducătoare.

În acelaşi timp, organismele care utilizează ca sursă de carbon bioxidul de carbon, trebuie să reducă bioxidul la biomasă. În cazul sistemelor aerobe acceptorul de electroni este oxigenul, în timp ce pentru sistemele anaerobe sunt utilizaţi substituenţi de acceptori precum: azotul, oxidul de mangan, fierul, hidroxizii sau sulfaţii. Faţă de noul material celular, produşii secundari ai respiraţiei anaerobe depind de substituentul utilizat. Aceşti produşi secundari sunt reprezentaţi de: gaze de azot, sulfuri de hidrogen, forme reduse de metale (Fe3+, Mn4+) sau gaz metan.

Reacţia redox sau procesul de oxido-reducere implică transferul de electroni şi reprezintă o cale fundamentală de obţinere a energiei prezente la nivel molecular. Oxidarea constă în pierderea de către o substanţă a unui electron. Astfel, substanţa devine mai puţin încărcată negativ, ceea ce conduce la oxidarea acesteia. Această substanţă este numită agent reducător sau reducător, deoarece determină reducerea celeilalte substanţe. Procesul de reducere se referă la câştigarea unui electron de către o altă substanţă. Această substanţă va deveni mai negativă, ea fiind considerată agent oxidant sau oxidat, deoarece determină procesul de oxidare. În concluzie, un oxidant este o substanţă care determină oxidarea, în timp ce el însuşi este redus.