1.2. Βιοεξυγίανση οικοσυστημάτων, μολυσμένων με οργανικές ενώσεις

Το αργό πετρέλαιο και τα προϊόντα διύλισής του είναι η βασική πηγή οργανικών ενώσεων που μολύνουν τα οικοσυστήματα. Το πετρέλαιο αποτελείται από τρία βασικά κλάσματα υδρογονανθράκων (παραφίνη, ναφτένια και αρωματικοί ). Κάθε ένα συνήθως αποτελείται από εκατοντάδες διαφορετικά μόρια υδρογονανθράκων και δεν έχει σταθερή σύσταση. Για αυτό το λόγο τα κλάσματα δεν έχουν την ίδια πτητικότητα, βιοδιαθεσιμότητα, τοξικότητα, αποδομησιμότητα και μακροπρόθεσμη σταθερότητα στο περιβάλλον. Η αποφυγή των διαρροών κατά την κατεργασία και την μεταφορά του πετρελαίου είναι δύσκολη. Αυτό το περίπλοκο μείγμα ενώσεων αποτελεί τεράστια πρόκληση όταν γίνεται λόγος για ανάπτυξη εφικτών στρατηγικών βιοεξυγίανσης.

Αφού έχουν καταλήξει στο περιβάλλον, οι υδρογονάνθρακες του πετρελαίου μπορούν να προξενήσουν ζημιές με μερικούς τρόπους. Η αρχική τους βιολογική δράση συνίσταται στο γεγονός ότι το στρώμα πετρελαίου αποκλείει το νερό, τις θρεπτικές ουσίες, το οξυγόνο και την πρόσβαση του φωτός. Η κυτταροτοξική και μεταλλαξιγόνος επίδραση των υδρογονανθράκων οδηγεί σε μακροπρόθεσμες συνέπειες από την ρύπανση. Μια τοξική ένωση με υψηλότερη βιοδιαθεσιμότητα παρουσιάζει, από τη μία, ισχυρότερες βλαβερές δράσεις, από την άλλη όμως χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη βιοαποδομησιμότητα. Αντιθέτως, το γερά προσροφημένο κλάσμα έχει χαμηλότερη τοξικότητα, αλλά και είναι δυσκολότερο για καθαρισμό. Αυτός ο βασικός κανόνας έχει σχέση με τον σχεδιασμό βιολογικών στρατηγικών για τον καθαρισμό μολυσμένων εδαφών ή ιζημάτων, γιατί οι υδρογονάνθρακες του πετρελαίου τείνουν να προσροφούνται ισχυρά σε τέτοια περιβάλλοντα.

Η επιλογή κατάλληλης στρατηγικής εξυγίανσης λαμβάνει υπόψη τις φυσικοχημικές ιδιότητες του μολυσμένου βασικού περιβάλλοντος και τις διαστάσεις και την ηλικία της διαρροής. Σκοπός της βιοεξυγίανσης είναι το ξεπέρασμα των περιοριστικών παραγόντων, οι οποίοι επιβραδύνουν την βιοαποδόμηση. Η βιοεξυγίανση οργανικών ενώσεων μπορεί να επιτευχθεί με επεξεργασία είτε in situ, είτε ex situ. Κατά τις μεθόδους in situ η οργανική μόλυνση επεξεργάζεται επί τόπου. Οι τεχνολογίες ex situ προϋποθέτουν την μετακίνηση του μολυσμένου εδάφους σε χώρο όπου μπορεί να κατασκευαστεί κατάλληλο σύστημα επεξεργασίας για την απομάκρυνση των οργανικών ρύπων. Στην περίπτωση των υδρογονανθράκων του πετρελαίου υπάρχουν τέσσερα δυνατά σενάρια:

1. Η υπερβολικά μεγάλη ποσότητα του άνθρακα ως αποτέλεσμα των υδρογονανθράκων στο περιβάλλον οδηγεί σε ανεπάρκεια των υπόλοιπων θρεπτικών ουσιών. Η εισαγωγή αζώτου και φωσφόρου μπορεί να αποκαταστήσει την ισορροπία και να αυξήσει την ταχύτητα της βιοαποδόμησης.

2. Η ανεπαρκής ποσότητα προσβάσιμου οξυγόνου μειώνει την ταχύτητα της βιοαποδόμησης. Η ανεπάρκεια οξυγόνου κατά την αερόβια αποδόμηση υδρογονανθράκων μπορεί να ξεπεραστεί με την παροχή οξυγόνου ή με απλή ανάμιξη.

3. Χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα των υδρογονανθράκων. Η πρόσθεση οικολογικά καθαρών επιφανειοδραστικών ενεργών ουσιών (όπως τα μη τοξικά και βιοαποδομήσιμα επιφανειοδραστικά που συντίθενται από τους μικροοργανισμούς και τα φυτά) μπορεί να βελτιώσει την διαλυτότητα και ως αποτέλεσμα – την βιοδιαθεσιμότητα των υδρογονανθράκων.

4. Αναποτελεσματικό καταβολιτικό δυναμικό των φυσικών μικροβιακών κοινωνιών. Η εισαγωγή καθαρής κυτταροκαλλιέργειας ή κοινωνίας μικροοργανισμών που αποδομούν τους υδρογονάνθρακες, μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα αποδόμησης.

1.2.1. Μικροβιολογική βιοεξυγίανση οργανικών ρυπαντών

Οι βασικές στρατηγικές εξυγίανσης μολυσμένων με υδρογονάνθρακες εδαφών in situ είναι η βιοδιέγερση, η βιοαύξηση και ο βιοαερισμός.

Η διαδικασία βιοδιέγερσης περιλαμβάνει την ενίσχυση του μεταβολισμού των αυτοχθόνων μικροοργανισμών μέσω διαχείρισης των παραγόντων του περιβάλλοντος και των θρεπτικών ουσιών. Όταν οι αυτόχθονες μικροβιακές κοινωνίες δεν κατέχουν το απαραίτητο καταβολικό δυναμικό, για την πραγματοποίηση βιοαύξησης είναι απαραίτητη η εισαγωγή αυτοχθόνων ή εξωγενών μικροοργανισμών, οι οποίοι αποδομούν υδρογονάνθρακες. Με σκοπό την αύξηση του αερόβιου μεταβολισμού των οργανικών ενώσεων εφαρμόζεται βιοαερισμός μέσω δικτύου διάτρητων σωλήνων για την παροχή αέρα (είτε παθητική, είτε μέσω αναγκαστικού αερισμού).

Οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες για βιοεξυγίανση μολυσμένων με πετρέλαιο εδαφών ex situ είναι οι βιοσωροί, η κομποστοποίηση και η αγροκαλλιέργεια σε ελεγχόμενες συνθήκες (landfarming). Ο σκοπός τους είναι η αποδόμηση υδρογονανθράκων με την πρόσθεση φθηνών θρεπτικών ουσιών και οξυγόνου.

Κατά την αγροκαλλιέργεια η ελεγχόμενη διανομή οργανικών αποβλήτων στην επιφάνεια του εδάφους επιτρέπει στους αυτόχθονους μικροοργανισμούς να αποδομήσουν τους οργανικούς ρύπους σε αερόβιες συνθήκες. Αυτή είναι μια από τις πιο συχνές τεχνολογίες εξυγίανσης εδαφών, μολυσμένων με υδρογονάνθρακες πετρελαίου. Η τεχνολογία περιλαμβάνει την επεξεργασία λεπτού στρώματος μολυσμένου εδάφους (με πάχος έως 1.0 μ) σε περιφραγμένο χώρο, κατά την οποία παρέχονται θρεπτικές ουσίες και διεξάγεται αερισμός του εδάφους μέσω τακτικού οργώματος με στόχο την ενεργοποίηση της βιοαποδόμησης των υδρογονανθράκων του πετρελαίου και την μετατροπή τους σε πτητικές μορφές. Οι στρατηγικές επεξεργασίας διαφέρουν ανάλογα με τους χώρους αγροκαλλιέργειας και προσαρμόζονται στις ιδιαιτερότητες του τόπου όπως κλίμα, τοποθεσία, είδος του εδάφους και θερμοκρασία. Μπορούν να προσθέτουν θρεπτικά βελτιωτικά, ρυθμιστικά διαλύματα του Ph και διογκωτικά μέσα για την διευκόλυνση του αερισμού των συνυποστρωμάτων, του μικροβιακού μεταβολισμού ή των βακτηριακών εμβολιασμών και μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της βιοεξυγίανσης.

Οι βιοσωροί και η υπαίθρια κομποστοποίηση σε αύλακες περιλαμβάνουν ανάμιξη του μολυσμένου εδάφους με οργανικό υλικό για διογκωτικό μέσο. Αυτό το μείγμα ευνοεί την μικροβιακή δραστηριότητα, καθώς βελτιώνει την μηχανική δομή του εδάφους, τον αερισμό και τη διατήρηση της υγρασίας. Η βασική διαφορά ανάμεσα στις δυο τεχνολογίες είναι ο αερισμός και η μεθοδολογία. Ενώ τα κομπόστ αερίζονται μέσω περιοδικής αναστροφής του μείγματος του εδάφους και του διογκωτικού μέσου μέσω μετατροποποιημένου αναστροφέα , στους βιοσωρούς ο αέρας προμηθεύεται μέσω δικτύου σωλήνων. Οι βιοσωροί και η υπαίθρια κομποστοποίηση εφαρμόζονται με επιτυχία για την εξυγίανση ευρύ φάσματος ρύπων.

1.2.2. Φυτοεξυγίανση οργανικών ρύπων

Η φυτοεξυγίανση στηρίζεται σε βασικές φυσιολογικές διαδικασίες που εξελίσσονται στα ανώτερα φυτά και τους συνδεδεμένους με αυτά μικροοργανισμούς, όπως διαπνοή, φωτοσύνθεση, μεταβολισμός και ανόργανη θρέψη. Τα φυτά παίζουν τον ρόλο συστημάτων άντλησης και διήθησης με ηλιακή ενέργεια, απορροφώντας ρύπους με τις ρίζες τους και μεταφέροντας/μετατοπίζοντάς τους σε διάφορους φυτικούς ιστούς, όπου υποβάλλονται σε μεταβολισμό, δέσμευση ή μεταμόρφωση σε πτητικές μορφές. Η φυτοεξυγίανση υπολογίζει στις ρίζες των φυτών, οι οποίες ευνοούν την μικροβιακή δραστηριότητα, εκκρίνοντας μεταβολιτικά προϊόντα και βελτιώνοντας τον αερισμό, κάτι που σε τελική ανάλυση ευνοεί την βιοαποδόμηση των υδρογονανθράκων του πετρελαίου μέσω των μικροβιακών μεταβολιτικών δρόμων για αποδόμηση και συμμεταβολισμό. Η αποτελεσματικότητα της φυτοεξυγίανσης διαφέρει ανάλογα με την συγκέντρωση των υδρογονανθράκων του πετρελαίου, το βάθος της ρύπανσης, τις κλιματικές συνθήκες και την εδαφική υγρασία στο χώρο, γιατί όλα αυτά επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών. Οι ρίζες των φυτών εισχωρούν βαθιά στο έδαφος, τα ιζήματα και τα ύδατα και είναι σε θέση να απορροφούν οργανικές ενώσεις και ανόργανες ουσίες, να σταθεροποιούν και να συνενώνουν ουσίες στην επιφάνειά τους και κατά την αλληλεπίδρασή τους με τους μικροοργανισμούς στην ριζόσφαιρα. Οι ουσίες, που έχουν απορροφηθεί, μπορούν να μεταφερθούν, να συσσωρευθούν, να μετατραπούν ή να αποθηκευτούν σε διάφορα κύτταρα και ιστούς του φυτού. Και, τέλος, τα εναέρια μέρη του φυτού μπορούν να ανταλλάζουν αέρια με την ατμόσφαιρα, κάτι που αποτελεί προϋπόθεση για την αποδοχή και την εκπομπή μορίων.