1.1. Βιοεξυγίανση μολυσμένων με βαρέα μέταλλα οικοσυστημάτων

Όλα τα μέταλλα, ανεξάρτητα αν είναι απαραίτητα για τη ζωή ή όχι, παρουσιάζουν τοξικές ιδιότητες σε υψηλές συγκεντρώσεις. Αφού βρεθεί στον ζωντανό οργανισμό, ένας ρυπαντής μπορεί να εκδηλώσει την βλαβερή του δράση. Επομένως η επίδραση ενός ρυπαντή είναι ανάλογη με τη συγκέντρωσή του στον χώρο της δράσης του. Η τοξικότητα των μετάλλων αυξάνεται σε όξινο περιβάλλον, σε οικοσυστήματα με ανεπάρκεια θρεπτικών ουσιών και σε περίπτωση κακής φυσικής κατάστασης.

Μπορεί να γίνει προσπάθεια εξυγίανσης με τη βοήθεια συμβατικών μέτρων, όπως αποθήκευση και απόπλυση, εκσκαφή και ταφή, και έκπλυση του εδάφους. Η ευρεία χρήση χώρων απόρριψης στερεών αποβλήτων για την διάθεση οικιακών και βιομηχανικών απορριμμάτων, καθώς και η εσφαλμένη εφαρμογή αγροχημικών ουσιών, έχει οδηγήσει στη δημιουργία τεράστιων ποσοτήτων διηθημάτων, τα οποία μολύνουν τα υπόγεια ύδατα. Η δυνητική μόλυνση των υπόγειων υδάτων από τα διηθήματα έχει επιβάλει τον σχεδιασμό καινοτόμων μηχανικών μελετών για τον σχεδιασμό χώρων απόρριψης. Η εξυγίανση των οικοσυστημάτων, μολυσμένων με βαρέα μέταλλα, μπορεί να πραγματοποιηθεί με διαδικασίες όπως ιοντοεναλλαγή, κατακάθισμα, αντίστροφη ώσμωση, εξάτμιση ή χημική αναγωγή. Λόγω διάφορων προβλημάτων όμως, όπως π.χ. μόλυνση των μεμβρανών, υψηλά έξοδα, υψηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλή αποτελεσματικότητα της απομάκρυνσης, αυτές οι διαδικασίες έχουν περιορισμένη εφαρμογή στην βιομηχανία. Κατά την επιλογή πιο κατάλληλης μεθόδου καθαρισμού των βαρέων μετάλλων (όπως Cu, Ar, Pb και Zn) και κυανιδίων από μολυσμένα οικοσυστήματα, παράγοντες-κλειδί αποτελούν η τεχνική εφαρμοσιμότητα, η οικονομική βιωσιμότητα και η απλοποίηση των εγκαταστάσεων. Πιο αποτελεσματικές για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από τα μολυσμένα οικοσυστήματα είναι οι νεότερες τεχνολογίες όπως η φωτοκαταλυτική αναγωγή, επιφανειοδραστικές μεμβράνες και επιφανειακός σχηματισμός συμπλόκων.

1.1.1. Μικροβιολογικά συστήματα καθαρισμού (μικροεξυγίανση)

Οι μικροοργανισμοί απορροφούν τα βαρέα μέταλλα ενεργά (βιοσυσσώρευση) και/ή παθητικά (προσρόφηση). Οι κυτταρικές μεμβράνες των μικροοργανισμών, οι οποίες αποτελούνται κυρίως από πολυσακχαρίτες, λιπίδες και πρωτεΐνες, διαθέτουν πολλές χαρακτηριστικές ομάδες, συμπεριλαμβανομένων καρβοξυομάδων, υδροξυομάδων, αμινομάδων και φωσφορικών ομάδων, ικανές να συνενώνονται με τα ιόντα των βαρέων μετάλλων. Ανάμεσα στις διάφορες μεθόδους που βασίζονται στη δράση των μικροοργανισμών, η διαδικασία βιοπροσρόφησης φαίνεται η πιο ρεαλιστική για εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα σε σχέση με την βιοσυσσώρευση, κατά την οποία οι μικροοργανισμοί απαιτούν συμπληρωματικές θρεπτικές ουσίες για την ενεργή απορρόφηση βαρέων μετάλλων, κάτι που αυξάνει τις βιολογικές ή τις χημικές ανάγκες από οξυγόνο στα απόβλητα. Εκτός αυτού, η διατήρηση ισορροπημένου πληθυσμού μικροοργανισμών δυσκολεύεται κατά πολύ λόγω της τοξικότητας των βαρέων μετάλλων και άλλων παραγόντων του περιβάλλοντος. Εν δυνάμει μικροβιολογικοί πράκτορες για τον καθαρισμό βαρέων μετάλλων από διαλύματα σε νερό είναι οι μύκητες από τα γένη Penicillium, Aspergillus και Rhizopus. Τα ενδοφυτικά βακτήρια, για τα οποία είναι γνωστό πως επηρεάσουν ευνοϊκά τα φυτά, επίσης βελτιώνουν την ικανότητα των φυτών-ξενιστών να συσσωρεύουν μεγαλύτερες ποσότητες βαρέων μετάλλων.

Οι μικροοργανισμοί έχουν καθολική διάδοση στα μολυσμένα με βαρέα μέταλλα περιβάλλοντα και μπορούν εύκολα να μεταμορφώσουν αυτά τα μέταλλα σε μη τοξικές μορφές τους. Κατά τις διαδικασίες βιοεξυγίανσης οι μικροοργανισμοί ανοργανοποιούν τις οργανικές ενώσεις σε τελικά προϊόντα, όπως CO₂ ή H₂O, ή σε ενδιάμεσους μεταβολίτες, οι οποίοι λειτουργούν ως αρχικό υπόστρωμα για την ανάπτυξη των κυττάρων. Γνωστοί είναι διάφοροι μηχανισμοί βιοεξυγίανσης, όπως βιοπροσρόφηση, αλληλεπιδράσεις μετάλλου-μικροοργανισμού, βιοσυσσώρευση, βιοανοργανοποίηση, βιομεταμόρφωση και βιοαπόπλυση. Οι μικροοργανισμοί μπορούν να διαλύουν τα μέταλλα και να ανάγουν ή οξειδώνουν τα στοιχεία μετάπτωσης. Οι διάφορες μέθοδοι, μέσω των οποίων οι μικροοργανισμοί αποκαθιστούν το περιβάλλον, περιλαμβάνουν οξείδωση, χημική συνένωση, ακινητοποίηση, μεταμόρφωση σε πτητικές μορφές και μεταμόρφωση βαρέων μετάλλων. Η βιοεξυγίανση σε ορισμένο χώρο μπορεί να δώσει επιτυχή αποτελέσματα μέσω της μεθόδου των σχεδιασμένων μικροοργανισμών και χάρη στις γνώσεις για τους μηχανισμούς ρύθμισης της αύξησης και της δραστηριότητας των μικροοργανισμών στους μολυσμένους χώρους, για το μεταβολιτικό του δυναμικό και την αντίδρασή τους στις αλλαγές του περιβάλλοντος.

Μικροεξυγίανση μέσω προσρόφησης

Τα βαρέα μέταλλα βιοπροσροφούνται σε σημεία σύνδεσης στα κύτταρα των μικροοργανισμών χωρίς κατανάλωση ενέργειας. Ανάμεσα στην ποικιλία δραστικών ενώσεων που συνενώνονται με τις βακτηριακές κυτταρικές μεμβράνες, ιδιαίτερης σημασίας είναι τα εξωκυτταρικά πολυμερή (ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους που εκκρίνονται στο περιβάλλον) και είναι καλά γνωστό ότι ασκούν σημαντική επίδραση στις οξινο-βασικές ιδιότητες και την απορρόφηση μετάλλων. Τα εξωκυτταρικά πολυμερή που εκκρίνονται κατέχουν πολύ καλή ικανότητα να συνενώνονται με βαρέα μέταλλα σε σύμπλοκες ενώσεις με τη βοήθεια διάφορων μηχανισμών, συμπεριλαμβανομένης ανταλλαγής πρωτονίων και μικροκατακρήμνισης μετάλλων.

Μικροεξυγίανση βάσει φυσιολογικού-βιοχημικού μηχανισμού

Η βιοπροσρόφηση είναι μια διαδικασία, η οποία βασίζεται στην υψηλότερη δραστικότητα του βιοπροσροφητή σε σχέση με το προσρόφημα (τα ιόντα των μετάλλων), και συνεχίζεται ως την ισορρόπηση των δυο συστατικών. Το Saccharomyces cerevisiae έχει τον ρόλο του βιοπροσροφητή κατά την απομάκρυνση των Zn (II) και Cd (II) βάσει του μηχανισμού της ιοντοεναλλαγής. Το Cunninghamella elegans είναι υποσχόμενος προσροφητής βαρέων μετάλλων που απορρίπτονται στα απόβλητα νερά από την υφαντουργία. Οι μύκητες είναι εν δυνάμει βιοκαταλυτές, οι οποίοι μεταμορφώνουν τα βαρέα μέταλλα σε ενώσεις με χαμηλότερη τοξικότητα. Ορισμένοι μύκητες, όπως Klebsiella oxytoca, Allescheriella sp., Stachybotrys sp., Phlebia sp., Pleurotus pulmonarius, Botryosphaeria rhodina, έχουν την ικανότητα να συνενώνονται με μέταλλα. Τα εδάφη, ρυπασμένα με Pb (II), μπορούν να εξυγιανθούν π.χ. με τους μύκητες A. parasitica και Cephalosporium aphidicola μέσω διαδικασίας βιοπροσρόφησης. Ανθεκτικοί σε υδράργυρο μύκητες (Hymenoscyphus ericae, Neocosmospora vasinfecta και Verticillium terrestre) έχουν παρουσιάσει ικανότητα να βιομεταμορφώνουν υδράργυρο υπό τη μορφή Hg(II) σε μη τοξική μορφή. Πολλοί ρύποι είναι υδρόφοβοι και προσροφούνται από τους μικροοργανισμούς χάρη στην έκκριση διάφορων βιοεπιφανειοδραστικών ουσιών ή με άμεση συνένωση κυττάρου-ρυπαντή. Οι βιοεπιφανειοδραστικές ουσίες δημιουργούν ισχυρότερους ιοντικούς δεσμούς με τα μέταλλα και σχηματίζουν σύμπλοκες ενώσεις πριν την εκρόφηση από την εδαφική μήτρα και τη μετάβαση στο υγρό κλάσμα χάρη στην χαμηλή επιφανειακή τάση μεταξύ των κλασμάτων.

Η βιοεξυγίανση μπορεί επίσης να περιλαμβάνει αερόβιες και αναερόβιες μικροβιολογικές διαδικασίες. Η αερόβια αποδόμηση συχνά περιλαμβάνει την πρόσθεση ατόμων οξυγόνου κατά τις αντιδράσεις που καταλύονται από μονοοξυγενάσες, διοξυγενάσες, οξειδωτικές αφαλογονάσες, ή χημικά δραστικών ατόμων οξυγόνου που προέρχονται από ένζυμα, όπως π.χ. λιγνινάσες ή υπεροξειδάσες. Οι διαδικασίες αναερόβιας αποδόμησης περιλαμβάνουν αρχικές αντιδράσεις ενεργοποίησης, τις οποίες ακολουθεί οξειδωτικός καταβολισμός με τη συμμετοχή ανοξικών δεκτών ηλεκτρονίων. Η μέθοδος της ακινητοποίησης χρησιμοποιείται για την μείωση της κινητικότητας βαρέων μετάλλων στους ρυπασμένους χώρους μέσω αλλαγής της φάσης ή της χημικής μορφής των τοξικών μετάλλων. Η επεξεργασία μέσω στερεοποίησης περιλαμβάνει ανάμιξη χημικών αντιδραστικών στους μολυσμένους χώρους ή κατακάθισμα υδροξειδίων. Στους μολυσμένους χώρους οι μικροοργανισμοί κινητοποιούν τα βαρέα μέταλλα μέσω εκρόφησης, χηλίωσης, μεθυλίωσης και οξειδοαναγωγικής μεταμόρφωσης των τοξικών μετάλλων. Η πλήρης καταστροφή των βαρέων μετάλλων δεν είναι εφικτή, αλλά κατά τη διαδικασία αλλάζει ο αριθμός οξείδωσής τους ή οι οργανικές σύμπλοκες ενώσεις τους, κάτι που τους κάνει διαλυτά σε νερό, οδηγεί στο κατακάθισμά τους ή μειώνει την τοξικότητά τους. Κατά την εξυγίανση ρυπασμένων χώρων οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν τα βαρέα μέταλλα και τα μικροστοιχεία ως τελικούς δέκτες οξυγόνου ή τα ανάγουν κατά τη διαδικασία αποτοξικοποίησης. Οι μικροοργανισμοί αφαιρούν τα βαρέα μέταλλα κατά τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούν για την παραγωγή ενέργειας μέσω οξειδωαναγωγικών αντιδράσεων ή για την αντιμετώπιση των τοξικών μετάλλων μέσω ενζυμικών και μη ενζυμικών διαδικασιών. Οι δυο βασικοί μηχανισμοί για την ανάπτυξη ανθεκτικότητας στα βακτήρια είναι η αποτοξικοποίηση (μεταμόρφωση της τοξικής μορφής των μετάλλων και μετατροπή της σε μη απορροφήσιμη) και η ενεργή μεταφορά μέσω αντλιών εκροής για την απόρριψη των τοξικών μετάλλων από τα κύτταρα. Η κύρια οξειδωαναγωγική αντίδραση (οξείδωση και αναγωγή) πραγματοποιείται στα εδάφη μεταξύ των τοξικών μετάλλων και των μικροοργανισμών· οι μικροοργανισμοί έχουν τον ρόλο οξειδωτή των βαρέων μετάλλων, αφαιρώντας από αυτά ηλεκτρόνια, τα οποία ελκύονται από εναλλακτικούς δέκτες ηλεκτρονίων (νιτριτικά, θειικά άλατα και οξείδια σιδήρου).

Σε αερόβιες συνθήκες το οξυγόνο δρα ως δέκτης ηλεκτρονίων, ενώ σε αναερόβιες οι μικροοργανισμοί οξειδώνουν τους οργανικούς ρύπους, ανάγοντας δέκτες ηλεκτρονίων. Ένας μικροοργανισμός λαμβάνει την απαραίτητη για την αύξησή του ενέργεια, οξειδώνοντας οργανική ουσία, χρησιμοποιώντας Fe(III) ή Mn(IV) ως δέκτη ηλεκτρονίων. Η αναερόβια αποδόμηση οργανικών ρύπων ενεργοποιείται υπό υψηλότερη διαθεσιμότητα του Fe(III) για μικροβιακή αναγωγή. Η βιοαποδόμηση των χλωρινών από τους ρύπους εξελίσσεται με αναγωγική αποχλωρίωση, κατά την οποία ρύποι όπως χλωριωμένοι διαλυτές έχουν τον ρόλο δεκτών ηλεκτρονίων κατά την αναπνοή. Οι μικροοργανισμοί μειώνουν τον αριθμό οξείδωσης των μετάλλων και αλλάζουν την διαλυτότητά τους – όπως το Geobacter (είδος βακτηρίου που χαρακτηρίζεται με αναερόβια αναπνοή, το οποίο βρίσκεται υπό αναερόβιες συνθήκες στα εδάφη και τα ιζήματα στα ύδατα), και ανάγουν το ουράνιο από διαλυτή (U⁶⁺) σε αδιάλυτη μορφή (U⁴⁺). Διάφορα συστήματα προστασίας (αποβολή, διαφοροποίηση, σχηματισμός σύμπλοκων ενώσεων και σύνθεση συνδετικών πρωτεϊνών και πεπτιδίων) ανακουφίζουν το στρες που προκαλούν τα βαρέα μέταλλα. Είναι γνωστό ότι αυτοί οι μεταγραφικοί παράγοντες για την συνένωση μετάλλων, μεσολαβούν στις διαδικασίες ορμονικής και οξειδωαναγωγικής μεταβίβασης σημάτων στα συμφραζόμενα της έκθεσης σε τοξικά μετάλλια (Cd, Zn, Hg, Cu, Au, Ag, Co, Ni και Bi).

1.1.2. Φυτοεξυγίανση βαρέων μετάλλων

Η φυτοεξυγίανση αποτελεί οικολογικά καθαρή τεχνολογία για εξυγίανση in situ, η οποία τροφοδοτείται από ηλιακή ενέργεια. Τα φυτά και οι μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται μαζί τους μπορούν να χρησιμεύουν για την μερική απομάκρυνση βαρέων μετάλλων ή για την πλήρη εξυγίανση εδαφών, κατακαθισμάτων, ιζημάτων, απόβλητων και υπόγειων υδάτων από ορισμένους ρυπαντές. Κατά την φυτοεξυγίανση βαρέων μετάλλων η αρχική φάση είναι η φυτοεξαγωγή, η απορρόφηση των βαρέων μετάλλων από το έδαφος ή τα ύδατα από τις ρίζες των φυτών και η μεταφορά και συσσώρευσή τους στη βιομάζα. Η μεταφορά μετάλλων στους βλαστούς και τα κλαδιά αποτελεί βιοχημική διαδικασία με μεγάλη σημασία για την αποτελεσματική φυτοεξαγωγή. Η επόμενη ως προς τη σημασία της διαδικασία φυτοεξυγίανσης είναι η φυτοδιήθηση, η οποία περιλαμβάνει την ριζοδιήθηση, την βλαστοδιήθηση και την καυλοδιήθηση. Έτσι τα μέταλλα απορροφούνται ή προσροφούνται, ελαχιστοποιώντας την κίνησή τους στο έδαφος και τα υπόγεια ύδατα. Παράλληλα η φυτοσταθεροποίηση και η φυτοακινητοποίηση περιορίζουν την κινητικότητα και την βιοδιαθεσιμότητα των μετάλλων στο περιβάλλον. Τα φυτά ακινητοποιούν τα βαρέα μέταλλα που βρίσκονται στα εδάφη μέσω ρόφησης από τις ρίζες, κατακρήμνισης, σχηματισμού σύμπλοκων ενώσεων και μείωσης της κατάστασης σθένους των μετάλλων στην ριζόσφαιρα. Ορισμένα βαρέα μέταλλα, όπως Hg και Se, μετά από την απορρόφησή τους από τα μολυσμένα εδάφη στα φυτά, μετατρέπονται σε πτητικές μορφές και εκβάλλονται στην ατμόσφαιρα. Αυτή η διαδικασία δεν αφαιρεί τα μέταλλα πλήρως, αλλά πιο πολύ τα μεταφέρει από ένα περιβάλλον (έδαφος ή νερό) σε άλλο (η ατμόσφαιρα), από όπου μπορούν ξανά να βρεθούν στο νερό και το έδαφος.

Η απομάκρυνση βαρέων μετάλλων μέσω φυτοεξυγίανσης, ιδιαίτερα με τη βοήθεια των φυτών-υπερσυσσωρευτών για την αποδόμηση και την αποτοξικοποίηση ρύπων, χαίρει ευρύτατου ενδιαφέροντος για την υψηλή αποτελεσματικότητα και την οικονομικότητά της. Τα κριτήρια που εφαρμόζονται κατά την υπερσυσσώρευση, καθορίζονται από το είδος του μετάλλου. Τα φυτά-υπερσυσσωρευτές παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα και καλύτερες ικανότητες συσσώρευσης σε σχέση με τα υπόλοιπα φυτά. Η εφαρμογή των υπερσυσσωρευτών όμως περιορίζεται από τις δυσκολίες κατά την ανεύρεση τέτοιων φυτών, την αργή ανάπτυξή τους και την χαμηλή παραγωγή βιομάζας. Όλα αυτά κάνουν την διαδικασία χρονοβόρα και ως συνέπεια ακατάλληλη για χώρους με γρήγορο ρυθμό ρύπανσης ή για την επεξεργασία απόβλητων νερών. Οι ριζοσφαιρικοί μικροοργανισμοί όπως οι θυσσανοειδείς µυκόρριζες και τα ριζοβακτήρια, που παροτρύνουν την αύξηση των φυτών και με διάφορους μηχανισμούς παίζουν σημαντικό ρόλο για την ανθεκτικότητα σε μέταλλα, ευνοούν την ανάπτυξη σχεδίου φυτοεξυγίανσης με την επιλογή κατάλληλων πολυλειτουργικών συνδυασμών από μικροοργανισμούς της ριζόσφαιρας. Ίσως τον κύριο ρόλο στην φυτοεξυγίανση παίζει η ριζόσφαιρα και η απομάκρυνση των ρυπαντών πραγματοποιείται χάρη στην από κοινού δράση των φυτών και των μικροοργανισμών. Η βασική αιτία για την εντονότερη απομάκρυνση των μετάλλων στην ριζόσφαιρα ίσως είναι η αύξηση του αριθμού και την μεταβολιτικής δραστηριότητας των μικροοργανισμών. Κατά την διαδικασία αποδόμησης στην ριζόσφαιρα η τοξικότητα των μετάλλων προς τα φυτά μπορεί να μειωθεί με τη χρήση βακτηρίων που ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των φυτών – εδαφικοί μικροοργανισμοί που επηρεάζουν θετικά την ανάπτυξη των φυτών. Κατά την διαδικασία αυτή τα φυτά μπορούν να αυξήσουν κατά 10 – 100 φορές την μικροβιακή δραστηριότητα με διάφορες εκκρίσεις που περιέχουν υδατάνθρακες, αμινοξέα, φλαβονοειδή κ.α. Ως αντάλλαγμα τα ριζοσφαιρικά βακτήρια τους βοηθούν για την ανάπτυξη μεγαλύτερων ριζών, συμβάλλοντας έτσι για την καλύτερη επιβίωση των φυτών.