PROJEKT ÖSSZEFOGLALÓ
Az aromás (kőolajszármazékok) és az alifás szénhidrogének illetve ezek halogénezett származékai komoly környezetvédelmi károkat okoznak hazánkban és világszerte egyaránt. A halogénezett alifás szénhidrogéneket az elmúlt évtizedekben rendszeresen alkalmazták oldószerként és zsírtalanítóként az iparban, a mezőgazdaságban, de a háztartásokban is. Szabálytalan és ellenőrizetlen kezelésük és tárolásuk miatt nagy mennyiségű halogénezett szénhidrogén jutott be a talajba és a felszín alatti vizekbe, így felhalmozódva környezetünkben, melynek kártalanítása egyre sürgetőbbé válik.Akut és krónikus mérgezőképességük (a vinil-klorid például bizonyítottan rákkeltő anyag), a környezetben való felhalmozódásuk, nehézkes lebomlásuk miatt fontos a kármentesítés mind a társadalom (közegészségügy), mind pedig a környezetvédelem szempontjából (Puzder és mtsai, 2001). Ma már számos kármentesítési technológia ismert szennyezett területek megtisztítására, amelyek közül a szennyezésnek és a helyi paramétereknek megfelelőt kell kiválasztani. A klórozott alifás szénhidrogének esetében azok fiziko-kémiai tulajdonságai (pl. víznél nagyobb sűrűség, nagy adszorpciós képesség) miatt az ex situ remediációs technológiák alkalmazása nagyon költségigényes. Az elmúlt évtizedekben felmerült a lehetősége a biológiai kármentesítésnek, melynek során a mikrobák enzimrendszerük segítségével bontják le az életidegen anyagokat. Az in situ biológiai remediáció helyben kivitelezhető, a környezet csak minimálisan változik meg az eljárás során, a szállítási költségek alacsonyak, a szennyeződés eliminálása folyamatos. Egy in situ serkentett bioremediációs technológia (biostimuláció) alkalmazása során a lebontásban résztvevő mikrobák számára elérhető különböző szubsztrátok szennyezett területre való kijuttatásával lehet megszabadulni a környezetben felhalmozódott szennyező anyagoktól (Anton és Pálos, 2010). Azonban a rövidszénláncú halogénezett szénhidrogének esetében ez általában nem elegendő, mivel teljes lebontásukhoz speciális deklorináló mikrobaközösség szükséges. Ezek a deklorinációban résztvevő mikroorganizmusok (pl. Dehalococcoides sp., Desulfitobacterium dehalogenans, Desulfomonile tiedjei, Sulfurospirillum sp., Geobacter lovleyi, Dehalobacter restrictus, stb.) sok esetben alulreprezentáltak, vagy egyszerűen hiányoznak a szennyezett területekről (Löffler és Edwards, 2006; Tas és mtsai, 2009). Ennek következtében legtöbbször nagyon lassan és csak részlegesen megy végbe a többszörösen klórozott szénhidrogének (pl. tetraklóretén – PCE illetve triklóretén – TCE) deklórozása. Ebben az esetben a megfelelő elektrondonorok adagolása mellett speciális oltókultúrákat (bioaugmentáció) is érdemes használni a deklorinációs folyamatok serkentésére. Az anaerob reduktív deklorináció során a klórozott vegyületek elektron akceptorként szolgálnak, elektron donorként a hidrogén vagy kis molekulatömegű szerves vegyületek szerepelnek. Ahhoz, hogy a folyamat végbemenjen, a deklorináló baktériumoknak sikeresen felül kell kerekedniük más, kompetítor mikrobákon, melyek szintén hidrogént és más egyszerű szerves vegyületeket hasznosítanak (Kao és mtsai, 2003; Sung és mtsai, 2003). Több speciális oltókultúra ismert, a leggyakrabban használtak a KB-1 (Duhamel és mtsai, 2004), a DonnaII (Hug és mtsai, 2012) és az ANAS (Holmes és mtsai, 2006). Sajnos ezen bioaugmentációs oltóanyagok sem hatékonyak minden szennyezett terület esetében. Talán a legjobb megoldás a területre specifikus oltókultúrák használata lenne a rövidszénláncú halogénezett szénhidrogének teljes, eténig, mint ártalmatlan végtermékig történő bontásához. Jelen projektünk célja ilyen terület specifikus, teljes dehalogenációra képes oltókultúra létrehozása a szennyezett területről származó mikroorganizmusok felhasználásával. Munkánk kiemelt része a laboratóriumi körülmények között létrehozott kis térfogatú oltókultúra térfogatnövelése, és egy speciális fermentációs technológia kidolgozása. Az anaerob reduktív deklórozás kulcs szervezetei a Dehalococcoides nemzetség tagjai kizárólag kevert kultúrákban képesek növekedni és szigorúan anaerob szervezetek. A laboratóriumi léptékben hatékony lebontó konzorciumok (közösségek) méretnövelt felszaporítását egyutas anaerob tenyésztő rendszerekben, valamint obligát anaerob bakteriális konzorciumok felszaporítására alkalmassá tett rendszerekben állítjuk elő. Kísérleti munkánk során, ennek megfelelő technológiát és új fermentációs eljárást dolgozunk ki a konzorciumok fenntartására, azok üzemi körülmények közötti átoltására, felszaporítására és a prototípusok kiszerelésére is. A tenyészetek hatékony terepi működéséhez elengedhetetlen, hogy a felhasználásig levegőtől (oxigéntől) elzárt rendszerben valósuljanak meg az előállítás műveleti lépései. E fermentációs eljárás segítségével nagy mennyiségű biológiai hatóanyag előállítható, amivel már lehetőségünk adódik pilot tesztek elvégzésére, az oltókultúra hatékonyságának tényleges tesztelésére projekt partnerünk területén. |
PROJECT SUMMARY
Aromatic (petroleum derivatives) and aliphatic hydrocarbons and their halogenated derivatives could cause serious environmental damages all over the world. Halogenated aliphatic hydrocarbons were used as solvent and degreasing agent in industry, agriculture and even in household in the past few decades. Large amount of halogenated hydrocarbons penetrated to soils and groundwater causing contamination and accumulated in the environment due to irregular and uncontrolled treatment and storage. Remediation of the contaminant areas are getting more urgent due to the hazardous components endanger drinking water sources. Concerning social (public health) and environmental protection the remediation of these kind of hydrocarbons are very important, because their acute and chronic toxicity (e.g.: vinyl-chloride is carcinogenic), accumulation in the environment and difficulty to decompose (Puzder et al., 2001). Numerous bioremediation techniques are used for purification of contaminated soils. The selected remediation technique should be appropriate for the pollutant and the local parameters as well. Physical-chemical characteristic of aliphatic chlorinated hydrocarbons (e.g.: greater density than water, high adsorption capacity) makes the ex situ remediation technologies cost intensive. In the past few decades biological remediation was thought to be an arisen possibility to degrade unnatural compounds by microbial enzyme systems. In situ biological remediation could be feasible on site, during the process the environment alteration is negligible, transportation costs are low, and last but not least elimination of the contamination is continuous. In situ enhanced bioremediation technologies (biostimulation) stimulate microbes involved in decomposition process by spreading different substrate to the contaminated area (Anton and Pálos, 2010). To Degrade short-chain halogenated hydrocarbons special dechlorinating consortium is required. Microorganisms involved in dechlorination (e.g.:. Dehalococcoides sp., Desulfitobacterium dehalogenans, Desulfomonile tiedjei, Sulfurospirillum sp., Geobacter lovleyi, Dehalobacter restrictus, etc.) are usually underrepresented or absent from the contaminated area (Löffler and Edwards, 2006; Tas et al., 2009). Consequently the dechlorination of polychlorinated hydrocarbons (tetrachloroethene, - PCE, trichloroethene – TCE) are usually slow and partial. In this case, besides the appropriate electron-donors, special inoculums (bioaugmentaion) should be used to enhance dechlorination process. Chlorinated compounds serve as electron-donors and the electron-acceptors are hydrogen or low molecular weight organic compounds for anaerobic, reductive dechlorination process. In order for the successfully completed process, dechlorinating bacteria should over grow other competitor microbes using hydrogen and other simple organic compounds (Kao et al., 2003; Sung at al., 2003). Many inoculums are known, KB-1 (Duhamel et al., 2004), DonnaII (Hug et al., 2012) and ANAS (Holmes et al. 2006) are the commonly used ones. Unfortunately the mentioned inoculums are not effective in every contaminated area for bioaugmentation. Using area specific inoculums for complete degradation of short-chain halogenated hydrocarbons to ethane as a harmless end-product might be the best solution. The aim of our project is to produce inoculums capable of complete dehalogenation process and to apply microbes for inocula from the contaminated area. Featured part of our work is to increase the volume of inoculums produced in laboratory conditions and to develop a special fermentation technology. The key microorganisms of anaerobic, reductive dechlorination belong to the genera Dehalococcoides, which are strictly anaerobic and could grow solely in mixed culture. The efficient degrading consortium in laboratory scale would be increased by one-way anaerobic culturing system and by systems suitable for proliferate obligate anaerobic bacterial consortia. In connection with experimental work, technology and a new fermentation method would be developed to maintain, subcultivate and proliferate consortia in operational conditions and to pack prototypes. It’s crucial that manufacturing and packaging of the inoculums must be done in the absence of air (oxygen) in order to the efficient degradation capacity of inoculums on site. Large amounts of biologically active agent could be produced by applying anaerobic fermentation technology, which arise opportunities to perform pilot test to check the actual effectiveness of the inocula in the area belonging to our project partner. |