1.1 Die biologische Sanierung von Ökosystemen, die mit Schwermetallen kontaminiert sind

Alle Metalle, ob sie nun wesentlich oder nicht wesentlich sind, können toxische Effekte bei erhöhten Konzentrationen aufweisen. Sobald ein Schadstoffeintrag in einen lebenden Organismus stattfindet, kann er eine schädigende Wirkung aufweisen. Die Wirkung des Schadstoffes ist daher eine Funktion seiner Konzentration am Ort ihrer Wirkung. Metalltoxizität wird immer schwerer sein in saurem Milieu, bei nährstoffarmen Ökosystemen und bei schlechten körperlichen Bedingungen.

Die Sanierung kann durch konventionelle Sanierungsmaßnahmen versucht werden, wie Mülldeponien und Auslaugung, Ausgrabung und Bestattung oder Bodenwäsche. Die umfangreiche Nutzung von Festabfall-Deponien für die Entsorgung von Industrie- und Siedlungsabfällen sowie die unsachgemäße Verwendung von Agrochemikalien hat eine riesige Menge an Sickerwasser verursacht. Die Verschmutzung des Grundwassers und die Möglichkeit der Grundwasserkontamination durch Sickerwasser hat für die Erfindung von neuen technischen Konstruktionen gesorgt, die notwendig für Deponien sind. Für die Sanierung von mit Schwermetallen verunreinigten Ökosystemen können physikalisch-chemischen Prozesse durchgeführt werden, wie Ionenaustausch, Fällung, Umkehrosmose, Verdampfung und chemische Reduktion. Jedoch aufgrund von Problemen, wie beispielsweise Membranverschmutzung, hohen Kosten, hohem Energiebedarf und geringer Reinigungsleistung zeigen diese Prozesse wenig Relevanz in Industrien. Im Allgemeinen sind technische Anwendbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Anlagen-Einfachheit die wichtigsten Faktoren, um die am besten geeignete Behandlungsmethode bei der Auswahl der Schwermetalle (wie Cu, Ar, Pb und Zn) und Cyanid aus kontaminierten Ökosystem zu wählen. Allerdings sind die neuesten Technologien wie photokatalytischer Reduktion, Tensid-basierten Membranen, Flüssigmembranen und Oberflächenkomplexierung effizienter für die Schwermetall-Entfernung aus kontaminierten Ökosystemen.

1.1.1 Microbe-Based Clean Up-System (Microbial Bioremediation

Mikroorganismen Aufnahme von Schwermetallen aktiv (Bioakkumulation) und / oder passiv (Adsorption). Die mikrobiellen Zellwände, die hauptsächlich aus Polysacchariden, Lipiden und Proteinen bestehen, bieten viele funktionelle Gruppen, die Schwermetallionen binden können, und diese schließen Carboxylat-, Hydroxyl-, Amino- und Phosphatgruppen ein. Unter verschiedenen Mikroben vermittelten Methoden scheinen die Biosorption Verfahren durchführbarer für große Anwendung zu sein im Vergleich zum Bioakkumulationsprozess, da Mikroben Zugabe von Nährstoffen für die aktive Aufnahme von Schwermetallen erfordern, die den biologischen Sauerstoffbedarf bzw. chemischen Sauerstoffbedarf im Abfall erhöhen. Ferner ist es sehr schwierig, eine gesunde Population von Mikroorganismen aufgrund von Schwermetalltoxizität und anderen Umweltfaktoren zu erhalten. Pilze der Gattungen Penicillium, Aspergillus und Rhizopus sind potenzielle mikrobielle Mittel zur Entfernung von Schwermetallen aus wässrigen Lösungen. Endophytische Bakterien, die bekanntermaßen nützlich sind für Pflanzen, verbessern auch die Fähigkeit der Wirtspflanze, höhere Gehalte an Schwermetallen aufzunehmen und zu speichern.

Mikroorganismen sind überall in schwermetallverseuchten Umgebungen zu finden und können leicht Schwermetalle in nicht-toxische Formen umwandeln. In Bioremediationsprozessen mineralisieren Mikroorganismen die organischen Verunreinigungen zu Endprodukten wie CO2 und H2O oder in Stoffwechselzwischenprodukten, die als primäre Substrate für das Zellwachstum verwendet werden. Verschiedene Mechanismen der biologischen Sanierung sind bekannt, einschließlich Biosorption, Metall-Mikroben-Interaktionen, Bioakkumulation, Biomineralisation, Biotransformation und Bioleaching. Mikroorganismen sind in der Lage, von Metallen reduzierende oder oxidierende Übergangsmetalle zu lösen. Verschiedene Methoden, mit denen Mikroben die Umwelt wieder herstellen sind Oxidatiion, Binden, Immobilisieren, Verflüchtigen und Transformation von Schwermetallen. Bioremediation kann an bestimmten Orten mit dem Designer-Mikroben-Ansatz erfolgreich durchgeführt werden. Voraussetzung ist das Verständnis ihres Mechanismus, das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismen in den kontaminierten Standorten zu steuern, ihre Stoffwechselfunktionen und ihre Reaktion auf Veränderungen der Umwelt.

Mikroorganismen Aufnahme von Schwermetallen aktiv (Bioakkumulation) und / oder passiv (Adsorption). Die mikrobiellen Zellwände, die hauptsächlich aus Polysacchariden, Lipiden und Proteinen bestehen, bieten viele funktionelle Gruppen, die Schwermetallionen binden können, und diese schließen Carboxylat-, Hydroxyl-, Amino- und Phosphatgruppen ein. Unter verschiedenen Mikroben vermittelten Methoden scheinen die Biosorption Verfahren durchführbarer für große Anwendung zu sein im Vergleich zum Bioakkumulationsprozess, da Mikroben Zugabe von Nährstoffen für die aktive Aufnahme von Schwermetallen erfordern, die den biologischen Sauerstoffbedarf bzw. chemischen Sauerstoffbedarf im Abfall erhöhen. Ferner ist es sehr schwierig, eine gesunde Population von Mikroorganismen aufgrund von Schwermetalltoxizität und anderen Umweltfaktoren zu erhalten. Pilze der Gattungen Penicillium, Aspergillus und Rhizopus sind potenzielle mikrobielle Mittel zur Entfernung von Schwermetallen aus wässrigen Lösungen. Endophytische Bakterien, die bekanntermaßen nützlich sind für Pflanzen, verbessern auch die Fähigkeit der Wirtspflanze, höhere Gehalte an Schwermetallen aufzunehmen und zu speichern.

Mikroorganismen sind überall in schwermetallverseuchten Umgebungen zu finden und können leicht Schwermetalle in nicht-toxische Formen umwandeln. In Bioremediationsprozessen mineralisieren Mikroorganismen die organischen Verunreinigungen zu Endprodukten wie CO2 und H2O oder in Stoffwechselzwischenprodukten, die als primäre Substrate für das Zellwachstum verwendet werden. Verschiedene Mechanismen der biologischen Sanierung sind bekannt, einschließlich Biosorption, Metall-Mikroben-Interaktionen, Bioakkumulation, Biomineralisation, Biotransformation und Bioleaching. Mikroorganismen sind in der Lage, von Metallen reduzierende oder oxidierende Übergangsmetalle zu lösen. Verschiedene Methoden, mit denen Mikroben die Umwelt wieder herstellen sind Oxidatiion, Binden, Immobilisieren, Verflüchtigen und Transformation von Schwermetallen. Bioremediation kann an bestimmten Orten mit dem Designer-Mikroben-Ansatz erfolgreich durchgeführt werden. Voraussetzung ist das Verständnis ihres Mechanismus, das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismen in den kontaminierten Standorten zu steuern, ihre Stoffwechselfunktionen und ihre Reaktion auf Veränderungen der Umwelt.

Mikrobielle Bioremediation durch Adsorption

Schwermetalle können durch Mikroben, die an Bindungsstandorten in der Zellstruktur vorhanden sind, ohne die Beteiligung von Energie biosorbiert werden. Unter den verschiedenen reaktiven Verbindungen, die mit bakteriellen Zellwänden verbunden sind, sind die extrazellulären polymeren Substanzen (hochmolekulare Verbindungen, die in die Umgebung sekretiert sind) von besonderer Bedeutung und sie sind gut dafür bekannt, dass sie signifikante Auswirkungen auf Säure-Base-Eigenschaften und Metall Adsorption aufweisen. Abgesonderte extrazelluläre polymere Substanzen haben eine große Fähigkeit, auf komplexe Schwermetalle durch verschiedene Mechanismen einschließlich Protonen-Austausch-und Mikro-Fällung von Metallen einzuwirken.

Mikrobielle Bioremediation von Physio-bio-chemischen Mechanismen

Biosorption ist das Verfahren, das eine höhere Affinität eines Biosorbens in Richtung Sorbierung (Metallionen) beinhaltet, bis ein Gleichgewicht zwischen den beiden Komponenten hergestellt wird. Saccharomyces cerevisiae wirkt als Biosorbens zur Entfernung von Zn (II) und Cd (II) durch den Ionenaustauschmechanismus. Cunningham elegans ist ein vielversprechender Sorbens gegen Schwermetalle, das von Textilabwasser freigegeben wird. Pilze sind potentielle Biokatalysatoren, um auf Schwermetalle zuzugreifen und sie in weniger toxische Verbindungen umzuwandeln. Einige Pilze wie Klebsiella oxytoca, Allescheriella sp., Stachybotrys sp., Phlebia sp., Pleurotus pulmonarius, Botryosphaeria rhodina haben Metallbindungspotential. Pb (II) kontaminierte Böden können durch Pilzarten wie A. parasitica und Cephalosporium aphidicola mit Biosorptions-Verfahren saniert werden. Hg resistent Pilze (Hymenoscyphus ericae, Neocosmospora vasinfecta und Verticillium terrestre) konnten den Hg (II) Zustand in einen nicht-toxischen Zustand biotransformieren. Viele der Kontaminanten sind hydrophob und sie werden von Mikroben durch die Sekretion von einigen Biotensiden und direkten Zell-Verunreinigungs-Vereinigungen aufgenommen. Biotenside bilden stärkere ionische Bindungen mit Metallen und formen Komplexe, bevor sie aufgrund der geringen Grenzflächenspannung von der Bodenmatrix zur Wasserphase desorbiert werden.

Bioremediation kann auch aerobe oder anaerobe mikrobielle Aktivitäten einzubeziehen. Aerober Abbau beinhaltet oft die Einführung von Sauerstoffatomen in Reaktionen, die durch Monooxygenase vermittelt werden, durch Dioxygenase, Hydroxylase, oxidative Dehalogenase oder chemisch reaktive Sauerstoffatome, durch Enzyme wie Ligninasen oder Peroxidasen. Anaerobe Verschlechterungen von Kontaminanten beinhalten anfängliche Aktivierungsreaktionen, gefolgt von oxidativem Abbau, vermittelt über anoxische Elektronenakzeptoren. Die Immobilisierungs-Technik wird verwendet, um die Mobilisierung von Schwermetallen aus kontaminierten Standorten zu reduzieren, indem sie den physikalischen oder chemischen Zustand der toxischen Metalle ändert.

Die Erstarrungs-Behandlung beinhaltet die Vermischung von chemischen Mitteln bei den Altlasten oder Ausfällen von Hydroxiden. In den kontaminierten Standorten mobilisieren Mikroben die Schwermetalle durch Auslaugung, Chelat, Methylierung und Redox-Transformation von giftigen Metallen. Es ist nicht möglich, Schwermetalle vollständig zu zerstören, aber der Prozess verwandelt ihre Oxidationsstufe oder ihren organischen Komplex, um sie wasserlöslich, abzuscheiden und weniger toxisch zu machen. In der biologischen Sanierung von kontaminierten Umgebungen verwenden Mikroben Schwermetalle und Spurenelemente als terminale Elektronenakzeptoren oder sie reduzieren sie durch den Entgiftungsmechanismus. Mikroorganismen entfernen Schwermetalle durch die Mechanismen, die sie verwenden, um Energie aus Metall-Redoxreaktionen abzuleiten, um toxisches Metall durch enzymatische und nicht-enzymatische Prozesse zu behandeln. Zwei Hauptmechanismen für die Entwicklung von Resistenzen bei Bakterien sind Entgiftung (Umwandlung des toxischen Metallzustands, um ihn so nicht erreichbar zu machen) und aktives Efflux Pumpen des giftigen Metalls aus den Zellen. Die Basisredox-Reaktion (Oxidation und Reduktion) findet sich im Boden zwischen toxischen Metallen und Mikroorganismen; Mikroorganismen wirken als Oxidationsmittel für Schwermetalle und sie veranlassen sie, Elektronen zu verlieren, die durch alternative Elektronenakzeptoren (Nitrat, Sulfat und Eisenoxide) angenommen werden.

Unter aeroben Bedingungen wirkt Sauerstoff wirkt als Elektronenakzeptor, während in anaeroben Bedingungen Mikroben oxidieren, indem sie organische Verunreinigungen durch Elektronenakzeptoren reduzieren. Der Mikroorganismus nimmt Energie für das Wachstum auf durch Oxidieren der organischen Verbindung mit Fe (III) oder Mn (IV) als Elektronenakzeptor. Anaerober Abbau von organischen Verunreinigungen wird mit der höheren Verfügbarkeit von Fe (III) für die mikrobielle Reduktion stimuliert. Der biologische Abbau von Chlor von Verunreinigungen erfolgt durch reduktive Dechlorierung, wo Verunreinigungen wie chlorierte Lösungsmittel als ein Elektron in der Atmung wirken.

Mikroorganismen reduzieren den Zustand von Metallen und ändern deren Löslichkeit, wie die Geobacter (anaerobe Bakterienarten, die unter anaeroben Bedingungen in Böden und aquatischem Sediment gefunden werden) und reduzieren auch das Uran von einem löslichen Zustand (U6 +) in einen unlöslichen Zustand (U4 +). Verschiedene Abwehrsysteme (Ausgrenzung, Kompartimentierung, Komplexbildung und Synthese von Bindungsprotein und Peptide) reduzieren den Stress, der von toxischen Metallen entwickelt wird. Diese Metall bindenden Protein-Transkriptionsfaktoren sind dafür bekannt, im Hormon- und Redox- Signalisierungsprozess in Zusammenhang mit toxischem Metall (Cd, Zn, Hg, Cu, Au, Ag, Co, Ni und Bi) Expositionen zu vermitteln.

1.1.2. Phytoremediation von Schwermetallen

Phytoremediation ist eine umweltfreundliche in-situ-Sanierungstechnik, die durch Sonnenenergie angetrieben wird. Pflanzen und assoziierte Mikroorganismen können zur Entfernung von Schwermetallen teilweise oder vollständig ausgewählte Verunreinigungen sanieren, indem aus dem Boden, Schlamm, Sedimente, Abwasser und Grundwasser verwendet werden. In der Phytoremediation von Schwermetallen ist der erste Schritt die Phytoextraktion, die Aufnahme von Schwermetallverunreinigungen aus dem Boden oder Wasser durch Pflanzenwurzeln und ihre Translokation und Akkumulation in der Biomasse. Die Translokation von Metallen zu Trieben ist ein wichtiger biochemischer Prozess und ist wünschenswert in einer wirksamen Phytoextraktion. Der nächste wichtige Prozess der Phytoremediation ist Phytofiltration, die Rhizofiltration, Blastofiltration oder Caulofiltration enthält. Dabei werden die Metalle absorbiert und damit ihre Bewegung in Boden und Grundwasser minimiert. Zusätzlich zu dem obigen Verfahren der entwickelten Phytostabilization oder Phytoimmobilization reduziert sie die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Metallen in der Umwelt. Pflanzen führen die Immobilisierung von Schwermetallen in Böden durch Sorption über Wurzeln durch, auch durch Niederschlag, Komplexbildung oder Metall-Valenz- Reduktion in der Rhizosphäre. Einige der Schwermetalle wie Hg und Se, die von Pflanzen aus verseuchten Böden absorbiert werden, werden in flüchtige Formen überführt und anschließend in die Atmosphäre durch Phytovolatilization freigesetzt. Dieser Vorgang entfernt die Metalle nicht vollständig, sondern überträgt sie von einem Medium (Boden oder Wasser) zu einem anderen (Atmosphäre), aus dem sie in Boden und Wasser erneut eingegeben werden können.

Die Entfernung von Schwermetallen durch Phytoremediation und insbesondere Hyperaccumulatoren, um Verunreinigungen abzubauen und zu entgiften, erhält große Aufmerksamkeit aufgrund ihrer Wirksamkeit und Kosteneffizienz. Die Kriterien, um die Hyper-Akkumulation zu verwenden, variiert je nach dem Metall. Hyperakkumulator-Pflanzen weisen höhere Schwermetalltoleranz und Akkumulierungs-Fähigkeiten im Vergleich zu anderen Pflanzen auf. Schwierigkeiten, Schwermetallhyperakkumulatoren zu finden, langsames Wachstum und ein niedrigerer Biomasseertrag begrenzen den Einsatz von Hyperakkumulatoren. Dies macht den Prozess zeitaufwendig und daher nicht schnell realisierbar für Altlasten oder Abwasserbehandlungen. Rhizospheric-Mikroorganismen wie Arbuscular Mykorrhizapilze und das Pflanzenwachstum fördernde Rhizosphärenbakterien, die eine wichtige Rolle für das Pflanzenwachstum und / oder die Metalltoleranz über verschiedene Mechanismen spielen, sind für die Gestaltung eines Phytoremediationsplans vorteilhaft, um die geeigneten multifunktionalen mikrobiellen Kombinationen aus der Rhizosphäre zu wählen.

Es ist wahrscheinlich, dass die Sanierungsrolle der Rhizosphäre die Hauptrolle für die Phytoremediation und Entfernung von Verunreinigungen spielt, und dies wird durch die kombinierte Wirkung von Pflanzen und Mikroorganismen erreicht. Der Hauptgrund für die verbesserte Entfernung von Metallen in der Rhizosphäre ist wahrscheinlich die Erhöhung der Anzahl und der Stoffwechselaktivitäten der Mikroorganismen. Im rhizospherischen Abbauprozess kann die Metalltoxizität für Pflanzen durch die Verwendung von Pflanzenwachstum fördernden Bakterien, also frei lebenden Mikroorganismen im Boden, reduziert werden, die positive Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben. Bei diesem Verfahren können Pflanzen die mikrobielle Aktivität etwa 10-100 mal stimulieren durch die Sekretion von Exsudaten, die Kohlenhydrate, Aminosäuren, Flavonoide usw enthalten. Im Gegenzug erleichtern die Rhizosphärebakterien die Erzeugung von größeren Wurzeln, indem sie helfen, das Überleben der Pflanze zu verbessern.