Biologické spôsoby spracovania odpadov

Úvod

Veda a technika dosiahli úroveň, ktorá dáva človeku možnosť postupne prenechať jednotvárnu drinu automatom a robotom. Lepšie a novými spôsobmi využíva staré i nové zdroje energie. Získava tým stále viac voľného času k rozvíjaniu svojich záujmov a schopností. Honba za maximálnym efektom v najrôznejších oblastiach ľudskej činnosti so sebou prináša aj nové, nie vždy osvedčené pracovné postupy spolu s využívaním nových, prírode cudzích látok. S takýmto rýchlim rastom výroby a spotreby rastie nielen nadmerné čerpanie prírodných zdrojov, ale aj množstvo vyvrhovaného odpadu do prostredia.
V súčasnosti predstavujú odpady jeden z kľúčových problémov znečistenia životného prostredia človekom. A to nielen preto, že sa týkajú celého sveta, ale hlavne preto, lebo rýchlosť ich produkcie je väčšia ako ich spracovanie. Pre životné prostredie predstavujú veľmi závažný problém odpady pochádzajúce z hutníckej výroby, ktoré môžu ohroziť atmosféru, hydrosféru aj pedosféru. Najčastejšie bývajú tieto odpady toxické a s ich likvidáciou je spojených najviac problémov.
Nárast priemyselných aktivít znamená zvýšenie objemu polúcie a napadnutia ekosystému. Zvýšená pozornosť je venovaná riziku pre zdravie spôsobené ťažkými kovmi a potreba nájsť ekonomické a efektívne metódy na odstránenie kovov, čo má za následok vývoj nových separačných technológií. Obecne sú aplikované metódy ako precipitácia, iónová výmena, elektrochemické procesy a membránové procesy. Použitie týchto postupov však niekedy naráža na technické a ekonomické bariéry. Snaha nájsť nové technológie na odstránenie toxických kovov z odpadových vôd viedla využívaniu metód založených na schopnosti rôznych biologických materiálov viazať kovy. Chaluhy, baktérie, huby a kvasinky sa ukázali ako potenciálne sorbenty kovov. Týmito metódami a riešením problémov s likvidáciou odpadov z hutníckej výroby sa zaoberá vedná disciplína zvaná BIOMETALURGIA. Biotechnológie pre získavanie kovov

Výsledky činnosti baktérií ako oxidantu boli známe už v dávnej minulosti, i keď nie ako výsledky biolúhovania. Stredoveký spisovateľ Paracelsus popisuje, že keď obyčajní ľudia v Uhorsku vo vhodnej časti roka lejú železo do určitých prameňov, premení sa na hrdzu a ak sa táto roztaví, je z nej čistá Venus (meď) a nikdy viac sa už nezmení na železo.

Išlo o cementáciu medi, ktorá sa do kyslej vody dostala v dôsledku oxidácie a následného vylúhovania medi za pomoci baktérií.
V druhej polovici tohto storočia sa do systému využívania biosystémov v procese získavania kovov začína zavádzať postupne systém.
Dnes možno procesy zaradiť do nasledujúcich skupín :

1. Biooxidácia
2. Biolúhovanie
3. Biosorpcia
- baktériami
- hubami
- chaluhami, riasami

Vlastnosti mikroorganizmov, baktérií
- schopnosť reprodukcie
- schopnosť asimilovať potravu a premieňať ju na energiu a rast
- schopnosť vylúčiť odpadné produkty
- schopnosť reagovať na zmenu vo svojom okolí
- dedičnosť a možnosť mutácie

Zdroje energie
- fototrófne baktérie - využitie energie žiarenia a svetla
- chemotrófne baktérie - oxidácia chemických zlúčenín

Podľa typu zlúčenín uhlíka ako zdroja uhlíka sú baktérie :
- autotrófne - len CO2
- heterotrófne - organické zlúčeniny uhlíka

Podľa predchádzajúcich vlastností možno baktérie rozdeliť na :
1. Fotoautotrófne - CO2, zdroj C, svetlo zdroj energie
2. Fotoorganotrófne - organické zlúčeniny, zdroj C, svetlo - zdroj energie
3. Chemolitoautotrófne - CO2 zdroj C, oxidácia anorganických zlúčenín
4. Chemolitoorganotrófne - organické zlúčeniny uhlíka, zdroj C, organické zlúčeniny - zdroj energie


Závislosť od teploty :
a) Psychorofilické - schopné rásť pri 0ºC a nižšie, ale najlepšie pri 15-20ºC
b) Mesofilické - 25-40ºC
c) Termofilické - nad 45ºC (najväčšia časť nad 60ºC)

Závislosť od kyslíka :
a) Aerobné baktérie - rastú len v prítomnosti voľného kyslíka
b) Anaerobné baktérie - rastú v neprítomnosti kyslíka
c) Mikroaerofilické baktérie - rastú v prítomnosti veľmi malých množstiev kyslíka

Závislosť od pH :
Pre väčšinu 6,5 - 7,5 pri minime 4 a maxime 9
- Alkalofilné - pH > 9
- Acidofilné - pH > 4

Morfológia a vývoj baktérií

Baktéria je veľmi malý, jednoduchý, jednobunkový organizmus.
Tvar baktérie býva kruhový, vajcovitý, tyčinkovitý; tyčinky môžu byť rovné, zakrivené alebo špirálové. Keďže tvar týchto organizmov je jediná relatívne ľahko zistiteľná vlastnosť, využíva sa ma ich popis.
Koky (coccus, cocci) sú jednoduché guľovité alebo elipsoidné bunky. Niektoré majú tendenciu vytvárať dvojice t.j. diplokoky (diplococcus), reťazce - streptokoky (streptococcus), strapce stafilokoky (staphilococcus). Existuje mnoho druhov - rodov (genus-genera) viac alebo menej rovných (priamych) tyčiniek, ktoré sa nazývajú bacily (bacillus-bacilly).
Priemer baktérie je obecne 1µm, takže 1mg molovej hmotnosti kokov obsahuje asi 1000 miliónov buniek. I tak v jednej bunke, ktorá je omnoho menšia než jadro väčšiny rastlinných buniek, sú všetky funkcie jednotlivého organizmu.

1. Biooxidácia

Prakticky len baktérie neveľkého rodu Thiobacillus sa zúčastňujú oxidácie redukovaných zlúčenín síry. Baktérie rodu Thiobacillus sú drobné tyčinky o rozmeroch v priemere 0,5 x 1-1,5 µm so zaoblenými koncami. V mladej kultúre sú pohyblivé, majú jeden polárny bičík. Všetky druhy rodu Thiobacillus sú schopné využívať ako energetický substrát síru, alebo jej do rôznej miery redukované anorganické zlúčeniny. Finálnym produktom oxidácie týchto zlúčenín je síran. Len jeden druh, Thiobacillus ferrooxidans je schopný získavať energiu tiež oxidáciou dvojmocného železa na trojmocné. Väčšina druhov sú striktne autotrófne, vyžadujúce ako zdroj uhlíka len atmosferický oxid uhličitý.

2. Biolúhovanie

Heterotrofné baktérie sú schopné lúhovať zlato z oxidických rúd. Rozpúšťanie zlata je spojené s mikrobiologickou produkciou zlato-oxidujúcich (peroxidy) a viažucich zlato do komplexov (aminokyseliny, peptidy, proteíny) zložiek. Oxidant mení zlato do iónového stavu a ión zlata je potom viazaný do komplexu látkou, ktorá je produktom mikrobiologického metabolizmu.
Účinnosť procesu závisí od podstaty oxidantu a komplexotvorného ligandu. Prostredie musí obsahovať vhodný organický zdroj uhlíka a zdroj energie pre baktérie. Pepton alebo iné cukre sú zdrojom energie. Najlepšie výsledky sa dosahujú kmeňmi baktérií, ktoré produkujú peroxidické zlúčeniny a jednu alebo viac aminokyselín (kyselina asparticová, histidin, serin, cystein, methionin), ktoré tvoria najstabilnejšie komplexy zo zlatom v iónovej forme a v mierne zásaditom prostredí (pH od 8 do 13).

3. Biosorpcia

Pojem biosorpcia sa používa na popis mnohých spôsobov neaktívnej extrakcie kovu pomocou biomasy, ktorá môže byť už dokonca neživá.

Fixácia kovu rôznymi časťami bunky sa môže diať pomocou:
- tvorby komplexu
- koordinačnou väzbou
- chelatovaním kovu
- iónovou výmenou
- adsorpciou
- anorganickou mikroprecipitáciou
Ktorýkoľvek z uvedených mechanizmov alebo ich kombinácia môže byť funkčný pri znehybnení jedného alebo viacerých kovových prvkov v biosorbente.

3.1 Sorpcia bakteriálnou biomasou

Baktérie sú najčastejšie sa vyskytujúce mikroorganizmy a tvoria významnú časť celej živej podmorskej biomasy ~ 1018g. Vysoká sorpčná kapacita na ťažké kovy je známa už nejaký čas. Napr. Pb a Cd sa v morských mikroorganizmoch nachádzajú nabohatené faktorom 1,7.105 a 1,0.105 v porovnaní s koncentráciou týchto elementov v morskej vode.
Mnohé rozpustené ťažké kovy sú odstránené z oceánov mikroorganizmami priamo biosorpciou alebo nepriamo adsorpciou na biologicky vylúčený oxyhydroxid železa. Abelson vypočítal, že celkové množstvo biomasy vytvorenej za históriu zeme je ~ 1026g, čo sa rovná hmotnosti celej planéty.
Väzba kovov na mikroorganizmus je rozdelená do dvoch skupín:
1. metabolicky sprostredkovaný, vnútrobunečný mechanizmus
2. nešpecifikovaná väzba
Prvý typ väzby sa môže uskutočniť len u živých organizmov. Druhý typ väzby je charakteristický predovšetkým pre mŕtve organizmy.

3.2 Sorpcia hubami

Huby sú nefotosyntetická skupine mikroorganizmov žijúca na organickej substancii ako zdroji uhlíka a energie pre rast a metabolické aktivity- Vyššie huby a ich spóry sú neschopné pohybu. Niektoré huby (hríby) vytvárajú špeciálne makroskopické štruktúry. V oblasti biosorpcie je veľmi známa huba Rhizopus arrhizus.


3.3 Sorpcia chaluhami a riasami

Chaluhy sú fotosyntetické rastliny obsahujúce chlorofyl a prídavní pigmenty. Toto ich odlišuje od húb, ktoré sú závislé od nefotochemických reakcií na získanie energie. Huby sú často neschopné syntetizovať všetky organické látky pre ich normálny metabolizmus. Nemajú celulózu, ktorá je typická pre chaluhy ako zložka jej bunečnej steny. Chaluhy sú rastliny morí, ústí riek i pramenitej vody. Môžu byť jednobunečné i multibunečné dosahuhúce rozmery veľkých rastlín.


Konkrétne prípady biologického spracovania odpadu

Bakteriálne lúhovanie odpadových materiálov v akciovej spoločnosti Tatra Kopřivnice

Práca sa zaoberá aplikáciou baktérií Thiobacillus ferrooxidans na vzorkách dvoch odpadových materiálov (brusný kal a škvara a troska z uhlia), ktoré produkuje a.s. Tatra Kopřivnice. Z výsledkov bakteriálneho lúhovania, ktoré trvalo jeden mesiac a bolo realizované s čistou kultúrou Thiobacillus ferrooxidans vyplynulo, že tento druh baktérií sa pomerne dlho adaptuje na použité odpadové vzorky. Z jednotlivých sledovaných ťažkých kovov sa z brusného kalu najlepšie vylúhujú As, Ag, Pb a Ni, naproti tomu zo škvary a trosky z uhlia sa najlepšie vylúhujú Mn a Zn.

Zlepšenie výsledkov by bolo možné dosiahnuť použitím adaptovaných kultúr, alebo predĺžením doby lúhovania.

Mikrobiálne lúženie ťažkospracovateľných pyritovo-arzenopyritových zlatonosných koncentrátov

Koncentrát bol podrobený biooxidácii činnosťou chemolitotrofných baktérií s cieľom uvoľniť Au v sulfidickej matrici. Proces bol kontinuálny a prebiehal v sérii piatich kaskádovo zoradených reaktoroch. Takto upravený koncentrát bol uvedený do reaktora obsahujúceho roztok so zlatokomplexujúcim činidlom, konkrétne zmes mikrobiálnych aminokyselín a tiosíranov. Zistila sa závislosť medzi výťažnosťou zlata a stupňom bakteriálnej oxidácie sulfidnej matrice. Výsledky potvrdili, že 50-60% degradácia sulfidného matrixu biooxidácie postačovala na 90% výťažnosť zlata.

Biologická úprava odpadovej vody z medenej bane

V laboratórnych podmienkach sa použili na úpravu vody znečistenej CU, As s síranmi baktérie produkujúce alkalické zlúčeniny a redukujúce sulfát. Bunky boli rozptýlené v organickom substráte v zmesi s rozotreným vápencom. V substráte boli obsiahnuté aj symbiotické anaerobné mikroorganizmy. Baktérie redukujúce sulfát boli v majoritnom zastúpení. V optimálnych podmienkach pre rast a aktivitu mikroorganizmov došlo takmer k úplnému odstráneniu ťažkých kovov z média. Zostatkové koncentrácie mali hodnoty ppm. Biologický film (na povrchu aktívneho kalu) bol stabilný dlhú dobu (mesiace až roky). Počas pokusu sa udržiavali konštantné podmienky prostredia a konštantný bol aj prísun živín.

Biologická dekontaminácia odpadových vôd s obsahom kyanidu z podniku na spracovanie zlatonosnej rudy.

Odpadová voda z kyanizačnej prevádzky bola podrobená biologickej úprave v laboratórnom reaktore s imobilizovanou vrstvou. Pritom bola využitá zmesná kultúra mikroorganizmov schopná degradovať SCN. Ako nosiče na imobilizáciu biomasy boli použité tri materiály (každý v samostatnom reaktore), a to: aktivované uhlie, puzolan a zmes pemzy so zeolitom. Vo všetkých reaktoroch bol tiokyanatan degradovaný na NH4, CO2 a SO4. Rovnako došlo (pravdepodobne na princípe kombinácie fyzikálno-chemických a biologických činiteľov) aj k eliminácii kyanidových aniónov. Prietok a koncentrácia zlúčenín v roztoku sa postupne zvyšovali, a to až po dosiahnutie priemyselných parametrov, ktoré mali nasledujúce hodnoty: 900mg.l-1 SCN, 100mg.l-1 CN. Doba zdržania pre jednotlivé reaktory dosahovala hodnotu približne 0,1 dňa. Najlepším nosičom rezistencie voči zmenám koncentrácií a prietoku je aktívne uhlie. Úplná premena alebo konverzia NH4 na NO3 sa pozorovala iba pri zriedení média a použití aktívneho uhlia ako nosiča.

V reaktoroch s pemzozeolitovými a pouzzolanovými nosičmi vola pozorovaná akumulácia NO2.Kyanidové ióny inhibovali bakteriálnu oxidáciu NH4 najmä pri maximálnych hodnotách prietokov a koncentrácií.

Účasť mikroorganizmov na čistení odpadových vôd z extrakcie zlata od kyanokomplexov

V našej štúdii sme hľadali vzťah medzi termodynamickými vlastnosťami kyanokomplexov Zn, Cu, Ag, Fe a rýchlosťou ich asimilácie baktériami Pseudomonas genus. Zistili sme metabolické odchýlky v závislosti od vlastností koordinovaného kovu. Ukázalo sa, že miera interakcie medzi komplexom a bunkou závisí od nasledujúcich faktorov: odolnosti bunky voči kyanokomplexom (adaptovateľnosti na ne) a ťažkým kovom, schopnosti bunky biotransformovať kyanokomplexy a chemickej formy kyanokomplexov v roztoku. Ďalej sme skúmali vplyv pH, nadbytku kyanidov, iónov ťažkých kovov a vlastností vonkajšieho elektrického poľa na rýchlosť asimilácie kyanokomplexov bakteriálnymi bunkami. Ukázalo sa, že rýchlosť asimilácie možno zvýšiť pôsobením vonkajšieho elektrického poľa na bunky baktérií, a preto sme sa ďalej zamerali na odhalenie možných mechanizmov tohto javu.

Detoxifikačné odstránenie ťažkých kovov z pôd činnosťou mikroorganizmov

Detoxikácii in situ sa podrobila pôda znečistená ťažkými kovmi vo forme sulfidov. Medzi ťažkými kovmi dominovali Cu, Zn a Cd. Ma začiatku pokusu sa pôda naočkovala acidofilnými chemolitotropnými baktériami a počas trvania pokusu sa regulovala aktivita a rast mikroorganizmov vhodnou voľbou parametrov prostredia. V dôsledku bakteriálnej oxidácie sulfidov sa kovy previedli do roztoku a následne sa okyslenou (acidifikovanou) vodou zmyli z vrtných vrstiev pôdy A a B1 do nižšej vrstvy B2. Potom sa pH upravilo na 4,5 až 5,5. V roztoku obsiahnuté organické látky slúžili zároveň ako zdroj uhlíka a energie pre anaeróbne baktérie redukujúce sulfát. Činnosťou baktérií redukujúcich sulfát sa uvoľnil H2S, ktorý sa vyzrážal s prítomnými ťažkými kovmi na príslušné sulfidy.

Možnosti využitia bunkových kultúr vyšších húb na bisorpciu Cd

Pelety s obsahom húb (priemeru 2-10 mm) sa získali submerznou kultiváciou húb v médiu s obsahom glukózy a kukuričného výluhu. V štúdii sa využila drevokazná vazidiomycétna huba Phanerochaete chrysosporium. Pelety sa získali zo živých alebo usmrtených a následne spracovaných buniek. Biosorpčná schopnosť usmrtených (autoklávovaných) buniek bola stimulovaná pôsobením NaOH. Prídavok HCl po autoklávovaní viedol k zníženiu sorpčnej schopnosti.


Charakteristika baktérií rodu Bacillus izolovaných zo starých háld

V našich experimentoch sme študovali vplyv baktérií rodu Bacillus (jednotlivých kmeňov ako aj ich zmesí) izolovaných zo vzoriek odobratých z pingového poľa vytvoreného ťažbou v 15. storočí na Lúkach pod Tanádom pri Banskej Štiavnici na štruktúru nábrusov, práškového kremeňa a práškových-zrnitých produktov úpravy z ložísk Hodruša.

Nábrusy boli allitriomorfno-zrnitej štruktúry minerálnych agregátov s prevládajúcim kremeňom a alumosilikátmi, v ktorých boli vtrúsené agregáty sfaleritu, galenitu, rodonitu, zlata a pyritu. K práškovozrnitým produktom úpravy patrili: flotačný koncentrát (FC), flotačný odpad (FW) a gravitačný koncentrát (GC). Vo flotačnom koncentráte prevažovali sulfidické minerály a to pyrit, sfalerit a galenit s obsahom zlata nad kremennou minerálnou fázou. Flotačný odpad obsahoval veľké množstvo kremeňa a alumosilikátov s prímesou sulfidických minerálov. V gravitačnom koncentráte prevažoval kremeň, pyrit a chalkopyrit. Schopnosť baktérií zúčastňovať sa na deštrukcii vybraných silikátov v prítomnosti kovových katiónov bola potvrdená na základe morfologických zmien minerálneho povrchu v porovnaní s kontrolnou vzorkou po 20 dňoch biolúhovania. Prítomnosť baktérií sa sledovala priebežne svetelnou mikroskopiou po sfarbení podľa Grama (vegetatívne bunky) alebo malachitovou zeleňou (spóry). Izotachoforetickou metódou boli tiež zistené hlavné metabolity našich kmeňov a to kyselina octová, maslová, pyrohroznová, mliečna a mravčia. Biodegradačná schopnosť našich kmeňov bola potvrdená aj röntgenodifrakčnou analýzou a atómovou absorpčnou spektrofotometriou.

Záver

Možnosti využitia biotechnológií pre získavanie kovov sú už v súčasnosti veľmi široké, k dispozícii je veľký objem informácií, ktorý naďalej rastie. V každom prípade, hlavne pri riešení environmentálnych problémov v metalurgii je možné v oblasti biotechnológií nájsť mnoho vhodných postupov.