Bioremediasi: karakteristik, jenis, kelebihan dan kekurangan

Bioremediasi adalah seperangkat bioteknologi sanitasi lingkungan yang menggunakan kapasitas metabolisme mikroorganisme bakteri, jamur, tanaman dan / atau enzim mereka yang terisolasi untuk menghilangkan kontaminan di tanah dan air.

Mikroorganisme (bakteri dan jamur) dan beberapa tanaman dapat melakukan biotransformasi berbagai macam senyawa organik beracun dan mencemari, menjadikannya tidak berbahaya atau tidak berbahaya. Mereka bahkan dapat mendegradasi beberapa senyawa organik ke bentuknya yang paling sederhana, seperti metana (CH ₄ ) dan karbon dioksida (CO ₂ ).

Juga beberapa mikroorganisme dan tanaman, dapat mengekstraksi atau melumpuhkan unsur-unsur kimia beracun di lingkungan ( in situ), seperti logam berat. Dengan melumpuhkan zat beracun di lingkungan, itu tidak lagi tersedia untuk organisme hidup dan karenanya tidak mempengaruhi mereka.

Oleh karena itu, penurunan ketersediaan hayati suatu zat beracun juga merupakan bentuk bioremediasi, meskipun tidak menyiratkan eliminasi zat dari medium.

Saat ini ada minat ilmiah dan komersial yang berkembang dalam mengembangkan teknologi ekonomi dengan dampak lingkungan yang rendah (atau "ramah lingkungan"), seperti bioremediasi air permukaan, air tanah, lumpur dan tanah yang terkontaminasi.

Karakteristik bioremediasi

Kontaminan yang dapat bioremediasi

Di antara polutan yang telah bioremediasi, adalah logam berat, zat radioaktif, polutan organik beracun, bahan peledak, senyawa organik yang berasal dari minyak bumi (polyaromatic hydrocarbon atau HPAs), fenol, antara lain.

Kondisi fisikokimia selama bioremediasi

Karena proses bioremediasi bergantung pada aktivitas mikroorganisme dan tanaman hidup atau enzimnya yang terisolasi, kondisi fisikokimia yang tepat untuk setiap organisme atau sistem enzimatik harus dipertahankan, untuk mengoptimalkan aktivitas metabolisme mereka dalam proses bioremediasi.

Faktor-faktor yang harus dioptimalkan dan dipertahankan selama proses bioremediasi

-Konsentrasi dan ketersediaan hayati polutan dalam kondisi lingkungan: karena jika terlalu tinggi dapat berbahaya bagi mikroorganisme yang sama yang memiliki kapasitas untuk mengubah biotransformasi.

-Kelembaban: ketersediaan air sangat penting untuk organisme hidup, serta untuk aktivitas enzimatik dari katalis biologis bebas sel. Secara umum, kelembaban relatif 12 hingga 25% harus dipertahankan di tanah yang mengalami bioremediasi.

-Suhu: harus dalam kisaran yang memungkinkan kelangsungan hidup organisme yang diterapkan dan / atau aktivitas enzimatik yang diperlukan.

- Nutrisi yang tersedia secara hayati: penting untuk pertumbuhan dan multiplikasi mikroorganisme yang diminati. Terutama karbon, fosfor dan nitrogen harus dikontrol, serta beberapa mineral penting.

- Keasaman atau alkalinitas medium berair atau pH (pengukuran ion H + dalam medium).

-Ketersediaan oksigen: dalam sebagian besar teknik bioremediasi, mikroorganisme aerob digunakan (misalnya dalam pengomposan, biopiles dan landfarming ), dan aerasi substrat diperlukan. Namun, mikroorganisme anaerob dapat digunakan dalam proses bioremediasi dalam kondisi laboratorium yang sangat terkontrol (menggunakan bioreaktor).

Jenis bioremediasi

Di antara bioteknologi bioremediasi terapan adalah sebagai berikut:

Biostimulasi

Biostimulasi terdiri dari stimulasi in situ dari mikroorganisme yang sudah ada dalam medium yang terkontaminasi (mikroorganisme autochthonous), yang mampu melakukan bioremediasi zat yang terkontaminasi.

Biostimulasi in situ dicapai dengan mengoptimalkan kondisi fisikokimia untuk proses yang diinginkan terjadi, yaitu; pH, oksigen, kelembaban, suhu, antara lain, dan menambahkan nutrisi yang diperlukan.

Bioaugmentasi

Bioaugmentasi menyiratkan peningkatan jumlah mikroorganisme yang diminati (lebih disukai autochthonous), berkat penambahan inokulum yang dibudidayakan di laboratorium.

Selanjutnya, setelah diinokulasi mikroorganisme yang diminati di tempat, kondisi fisikokimia harus dioptimalkan (seperti dalam biostimulasi), untuk mendorong aktivitas degradasi mikroorganisme.

Untuk penerapan bioaugmentasi, biaya biakan mikroba dalam bioreaktor di laboratorium harus dipertimbangkan.

Baik biostimulasi dan bioaugmentasi dapat dikombinasikan dengan semua bioteknologi lain yang dijelaskan di bawah ini.

Pengomposan

Pengomposan terdiri dari pencampuran bahan yang terkontaminasi dengan tanah yang tidak terkontaminasi yang dilengkapi dengan zat dan nutrisi peningkat tanaman atau hewan. Bentuk campuran ini setinggi 3 m, dipisahkan satu sama lain.

Oksigenasi lapisan bawah kerucut harus dikontrol, melalui pemindahan teratur dari satu tempat ke tempat lain dengan mesin. Kondisi kelembaban, suhu, pH, nutrisi yang optimal, antara lain juga harus dijaga.

Biopiles

Teknik bioremediasi dengan biopiles sama dengan teknik pengomposan yang dijelaskan di atas, kecuali untuk:

Tidak adanya agen yang memperbaiki asal sayuran atau hewan.
Penghapusan aerasi oleh gerakan dari satu tempat ke tempat lain.

Biopile tetap terpasang di tempat yang sama, diangin-anginkan di lapisan internal melalui sistem pipa, yang biaya pemasangan, pengoperasian, dan pemeliharaannya harus dipertimbangkan dari tahap desain sistem.

Penambangan darat

Bioteknologi yang disebut "landfarming" (diterjemahkan dari bahasa Inggris: ukiran bumi), terdiri dari pencampuran bahan yang terkontaminasi (lumpur atau sedimen) dengan 30 cm pertama dari tanah yang tidak terkontaminasi dari tanah yang luas.

Pada sentimeter pertama tanah tersebut, degradasi zat pencemar lebih disukai berkat aerasi dan pencampurannya. Untuk pekerjaan ini, mesin pertanian digunakan, seperti traktor bajak.

Kerugian utama dari landfarming adalah bahwa ia membutuhkan lahan yang luas, yang dapat digunakan untuk produksi makanan.

Fitoremediasi

Fitoremediasi, juga disebut bioremediasi dibantu oleh mikroorganisme dan tanaman, adalah seperangkat bioteknologi yang didasarkan pada penggunaan tanaman dan mikroorganisme untuk menghilangkan, membatasi atau mengurangi toksisitas zat yang terkontaminasi di permukaan atau air bawah tanah, lumpur dan tanah.

Selama degradasi fitoremediasi, ekstraksi dan / atau stabilisasi (pengurangan ketersediaan hayati) kontaminan dapat terjadi. Proses ini tergantung pada interaksi antara tanaman dan mikroorganisme yang hidup sangat dekat dengan akarnya, di daerah yang disebut rhizosfer .

Fitoremediasi telah berhasil terutama dalam menghilangkan logam berat dan zat radioaktif dari tanah dan permukaan atau air tanah (atau rhizofiltrasi air yang terkontaminasi).

Dalam hal ini, tanaman mengakumulasi logam lingkungan di jaringannya dan kemudian dipanen dan dibakar dalam kondisi yang terkendali, sehingga polutan berubah dari tersebar di lingkungan, menjadi terkonsentrasi dalam bentuk abu.

Abu yang diperoleh dapat diolah untuk memulihkan logam (jika itu menarik secara ekonomi), atau dapat dibuang di tempat pembuangan akhir sampah.

Kelemahan dari fitoremediasi adalah kurangnya pengetahuan mendalam tentang interaksi yang terjadi antara organisme yang terlibat (tanaman, bakteri dan mungkin jamur mikoriza).

Di sisi lain, kondisi lingkungan harus dijaga agar memenuhi kebutuhan semua lembaga yang diterapkan.

Bioreaktor

Bioreaktor adalah wadah berukuran besar, yang memungkinkan untuk mempertahankan kondisi fisikokimia yang sangat terkontrol dalam media kultur air, dengan tujuan mendukung proses biologis yang menarik.

Dalam bioreaktor, mikroorganisme bakteri dan jamur dapat tumbuh dalam skala besar dan di laboratorium dan kemudian diterapkan dalam proses bioaugmentasi in situ. Mikroorganisme juga dapat dibudidayakan dengan tujuan mendapatkan enzim mereka yang mendegradasi zat yang terkontaminasi.

Bioreaktor digunakan dalam proses bioremediasi ex situ, ketika substrat yang terkontaminasi dicampur dengan media kultur mikroba, mendukung degradasi kontaminan.

Mikroorganisme yang tumbuh di dalam bioreaktor bahkan mungkin anaerob, dalam hal ini media kultur air harus kekurangan oksigen terlarut.

Di antara bioremediasi bioteknologi, penggunaan bioreaktor relatif mahal, karena pemeliharaan peralatan dan persyaratan untuk kultur mikroba.

Micorremediation

Micorremediation mengacu pada penggunaan mikroorganisme jamur (jamur mikroskopis) dalam proses bioremediasi zat kontaminan beracun.

Harus dipertimbangkan bahwa penanaman jamur mikroskopis biasanya lebih kompleks daripada bakteri dan oleh karena itu menyiratkan biaya yang lebih tinggi. Selain itu, jamur tumbuh dan bereproduksi lebih lambat daripada bakteri, dengan bioremediasi yang dibantu jamur menjadi proses yang lebih lambat.

Bioremediasi versus teknologi fisik dan kimia konvensional

-Keuntungan

Bioteknologi bioremediasi jauh lebih ekonomis dan ramah terhadap lingkungan daripada teknologi sanitasi fisik dan kimia yang diterapkan secara konvensional.

Ini berarti bahwa penerapan bioremediasi memiliki dampak lingkungan yang lebih rendah daripada praktik fisikokimia konvensional.

Di sisi lain, di antara mikroorganisme yang diterapkan dalam proses bioremediasi, beberapa dapat melanjutkan untuk memeralisasi senyawa yang terkontaminasi, memastikan hilangnya mereka dari lingkungan, sesuatu yang sulit dicapai dalam satu langkah dengan proses fisikokimia konvensional.

-Kelemahan dan aspek yang perlu dipertimbangkan

Kapasitas metabolisme mikroba ada di alam

Karena hanya 1% dari mikroorganisme yang ada di alam telah diisolasi, keterbatasan bioremediasi adalah persisnya identifikasi mikroorganisme yang mampu mendegradasi zat kontaminan tertentu.

Ketidaktahuan sistem yang diterapkan

Di sisi lain, bioremediasi bekerja dengan sistem kompleks dua atau lebih organisme hidup, yang umumnya tidak sepenuhnya diketahui.

Beberapa mikroorganisme yang diteliti telah mentransformasi biakan senyawa yang terkontaminasi menjadi produk sampingan yang lebih beracun. Untuk alasan ini, perlu dipelajari sebelumnya di laboratorium organisme bioremediasi dan interaksinya yang mendalam.

Selain itu, uji coba skala kecil (di lapangan) harus dilakukan sebelum aplikasi massal, dan akhirnya proses bioremediasi in situ harus dipantau untuk memastikan bahwa sanitasi lingkungan terjadi dengan benar.

Ekstrapolasi hasil yang diperoleh di laboratorium

Karena kompleksitas sistem biologis yang tinggi, hasil yang diperoleh dalam skala kecil di laboratorium tidak selalu dapat diekstrapolasi ke proses di lapangan.

Kekhasan masing-masing proses bioremediasi

Setiap proses bioremediasi melibatkan desain eksperimental tertentu, sesuai dengan kondisi tertentu dari situs yang terkontaminasi, jenis kontaminan yang akan dirawat dan organisme yang akan diterapkan.

Karena itu perlu bahwa proses ini diarahkan oleh kelompok spesialis interdisipliner, di antaranya harus ahli biologi, ahli kimia, insinyur, antara lain.

Pemeliharaan kondisi fisikokimia lingkungan untuk mendukung pertumbuhan dan aktivitas metabolisme yang menarik, menyiratkan tugas permanen selama proses bioremediasi.