1 / 40

SZ ÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

SZ ÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK. Szénhidrogén szennyezések. Kőolaj eredetű szennyezésekkel az a probléma, hogy szénhidrogének és más szerves anyagok komplex keveréke: alkánok, alkének, elágazó szénhidrogének, cikloalkánok, aromás-, poliaromás vegyületek, kén-, ill. fémtartalmú vegyületek

kami
Download Presentation

SZ ÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. SZÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

  2. Szénhidrogén szennyezések • Kőolaj eredetű szennyezésekkel az a probléma, hogy szénhidrogének és más szerves anyagok komplex keveréke: alkánok, alkének, elágazó szénhidrogének, cikloalkánok, aromás-, poliaromás vegyületek, kén-, ill. fémtartalmú vegyületek • Származási helytől függően az összetétel változó • Aerob-, anaerob mikrobiális bontás Aerob lebontás esetén oxigenázok szerepe jelentős Anaerob lebontás Fe(III)-, szulfát redukáló, denitrifikáló körülmények • Leggyakoribb bioremediációs eljárások szénhidrogén szenyezések esetén: landfarming (agrotechnikai), biopiling/composting (halmozás/komposztálás), bioventing (levegőztetéssel egybekötött in situ biodegr), biostimulation/bioaugmentation (ásványi-, felületaktív anyagok/mikroorganizmusok alkalmazása) fitoremediáció, bioreaktorok

  3. Szénhidrogén szennyezések • a biológiai hatékony és ált. olcsóbb eljárás (számos mikroorganizmus bontja e vegyületek többségét) • Mivel sok komponens illékony, ezért számolni kell az abiotikus „veszteséggel” a párolgásnak, diszperziónak, fotooxidációs folyamatoknak köszönhetően • a vegyületek hozzáférhetősége, és a szennyezések össztétele befolyásolja a mikrobiális konzorciumok alakulását • A lebonthatóság csökkenő tendenciát mutat:n-alkánok > elágazó láncú alkánok > elágazó alkének > alacsony molekulasúlyú n-alkil aromások > monoaromások > ciklusos alkánok > PAH-ok >> aszfaltének • Számos mikroorganizmus termel felületaktív anyagot, mely vagy a sejt felszínére vagy az extracelluláris térbe jut

  4. Alifás szénhidrogének (CH) mikrobiális bontása • Alkánok (paraffinok), alkének (olefinek), cikloalkánok, alkoholok, ketonok, éterek, epoxidok, észterek, karboxilsavak • Számos formája természetes körülmények között is előfordul • Ipari alkalmazás – oldószer, tisztítószer, üzemanyag, stb. • Toxikus hatás, többségük egészségre ártalmas • A környezetünkben élő mikroorganizmusok között sok aerob, anaerob CH bontó fajt találunk, azonban a kőolaj és kőolajszámazékok elbontása (azok összetettsége miatt) nem egyszerű folyamat, leggyakrabban kevert mikrobiális közösségek alakulnak ki e szennyezések elbontására • metán hasznosítók, Pseudomonas, Rhodococcus, Acinetobacter, Bacillus fajok

  5. Alifás szénhidrogének aerob lebontása • A kezdeti lépéshez molekuláris oxigénre van szükség, monooxigenáz reakció • A szubsztrát természetétől és a mikroorg. enzimkészletétől függ, hogy milyen reakció megy végbe • Alkánok esetén főleg mono-, diterminális oxidáció • Monoterminális oxidáció a fő útvonal: alkohol, aldehid, zsírsav képződik. A zsírsavak β-oxidációja acetil-CoA-t eredményez. A lebontási termékek ált. a TCA ciklusba jutnak • A lánchossz növekedésével csökken a vízoldékonyság – lipofil tulajdonság, a hozzáférés csökken – mikróbák válasza: felületaktív anyagok termelése • Az elágazások szintén csökkentik a biodegradációs hatékonyságot • Aerob szénhidrogén bontó mikroorganizmusok egyik legjelentősebb a csoportja a Rhodococcusok, erős és változatos metabolikus aktivitásuk mellett képesek felületaktív anyagok termelésére is

  6. Alifás szénhidrogének aerob lebontása • Alkánokat, alkéneket, cikloalkánokat aerob körülmények között bontó szervezeteket viszonylag könnyen izolálhatunk talajból, vízből, szennyvíziszapból • Általában monooxigenáz katalizálta reakciókat figyelhetünk meg, mely során az alkánból alkohol, az alkénekből epoxid vegyületek keletkeznek. A hidroxilált vegyületek sokkal fogékonyabbak a további biokémiai átalakításokra

  7. n-alkán oxidáxió -Pseudomonas oleovorans plazmidon kódolt alkán hidroxilázzal indít Példák Elágazó alifás CH-k bontása -Pseudomonas citronellolis

  8. Éterek bontása

  9. Izoprén bontása – Rhodococcus sp. MTBE (metil tercier-butil éter) Főleg talajvíz szennyező, adalékanyagként, oldószerként használják Propán hasznosító baktériumok kometabolizmussal bontják - Mycobacterium vaccae

  10. Alifás szénhidrogének anaerob lebontása • Oxigén hiányában • Folyamat lassú • Elektronakceptorként szulfátot vagy nitrátot használnak • Pl. szulfátredukálók, vasredukálók, denitrifikálók, metanogének

  11. Példák szénhidrogén szennyezések bioremediációjára Ex situ: Benzin biodegradáció pilot-scale air biofilter Optimalizálás: biofilter mérete, biomassza mennyisége, szennyező anyag koncentrációja, áramlási sebesség On site: Fűtőolaj landfarming 2. Benzin + H2O2 katalitikus spontán bomlás kombinált rendszer levegőztetés In situ: 1. Benzin + nitrát talajszerkezet In situ: Nyers olaj : Exxon Valdez 37 000 tonna (1989 március) műtrágya – biostimuláció baktériumok – bioaugmentáció In situ: Nyers olaj : kombinált gőzextrakció pumpálás és air stripping bioremediáció Felületaktív anyagok - in situ, ex situ

  12. Biofilterek alkalmazása bioreaktorokban Szilárd fázis-gáz fázisú ill. folyadék fázis-gáz fázisú biofilterek ált. Mikroorganizmusok összefüggő felületet képezhetnek (biofilm)szilárd hordozón, melyet bioreaktorba helyezve biofilterként képesek eltávolítani az illékony komponenseket a gőztérből Szilárd hordozó lehet: homok, talaj, komposzt, tőzeg, moha, cellulóz - legyen nedvesség megtartó, nagy porozitású Gáz/gőz fázisú szennyezőket átáramoltatják a biofilteren Lebontási sebesség növelhető: nagy fajlagos felület, nagy biomassza koncentráció megfelelő szubsztrát koncentráció Optimalizálás: koncentráció, áramlási sebesség mivel nagy térfogatokat kell kezelni minél nagyobb sebesség Eredményes, ha az effluensben nincs szennyeződés (valóban lebontás történjen, ne párolgás!)

  13. Bioreaktor biofilterrel illékony szénhidrogén bontására

  14. Landfarm • - nagy mennyiségű talaj kezelésére, • - relative alacsony költs. • nagy a siker valószínűsége • ma már kevésbé elfogadott, mivel pl. a finomítókban keletkező iszapot gyakran szennyezés mentes talajjal keverik, és utána bioremediálják. A talaj forgatása során nagy mennyiségű illékony alkotó elpárolog. • A kezelés végén, bár a szennyezés nagy része elbomlott, a maradék viszont főleg PAH-okat, egyéb nehezen bomló vegyületeket tartalmaz Tipikus „landfarm” sematikus rajza

  15. Levegőztető rendszerek

  16. Biostimuláció 1989 37 000 t nyersolaj Két megoldás együtt: 1. Customblen: oldékony tápa. polimerizált növényi olaj- kapszulából felszín alatti szennyezésre 2. Inipol EAP22: ásványi anyagokat tart. mikroemulzió felszíni szennyezésre

  17. fotolizis párolgás Felszíni olajréteg tengerfelszín tengeriszervezetek szedimentáció mélytengeriszervezetek tengerfenék

  18. Valdez Oil Terminal

  19. Aerial View of Inipol Treated Test Site - 1989 Untreated Area Treated Area Inipol EAP 22 használata

  20. Inipol EAP 22 • Előnyea szétterülő olajfrakcióhoz kötődik oleofil tulajdonságának köszönhetően, így szelektíven segíti elő az olajfaló mikroorganizmusok szaporodását (háttérbe szorítva az alga”virágzást”) • Hátránya az olajsav alternatív szénforrás lehet, ezáltal nő a C:N arány a környezetben toxikus komponenseket tartalmaz az emulzió tönkremegy, ha az ásványi anyagok a vízzel érintkeznek, így kiszabadul az urea a vizes fázisba, és nem tudják a célmikroorganizmusok hasznosítani

  21. Alternatív elektronakceptorok • A bioremediáció paraméterei között egyik legfontosabb az oxigén. Jelenléte/hiánya alapvetően meghat. a biorem. lehetőségeket • Oxigén hiányos körny-ben használhatunk alternatív e- akceptorokat: nitrát, szulfát, Fe(III), Mn(IV), vagy H2O2, MgO2 • Az egyes mikróbák esetén a kritikus oldott oxigén szint eltérő. A fakultatív anaerobok nagy jelentőségűek, mivel kevert elektronakceptorok környezetében képesek oxigént ill. nitrátot is hasznosítani, ált. a mikroaerofil környezetben találhatók. Ezek a mikróbák O2 jelenlétében aerob lebontási utakkal metabol., de az oxigénszint lecsökkenése esetén átkapcsolnak nitrát légzésre

  22. Szerves szubsztrát Légzési elektrontranszport lánc

  23. Alternatív elektronakceptorok H2O2 hátránya: gyors lebomlás, toxicitás, költséges MgO2 szilárd állapotban bejuttatva lassan oldódik be Nitrát, szulfát előnyös, mert nem drága, vízben oldódik

  24. BTEX = benzol-toluol-etilbenzol-xilolok • Természetes előfordulásuk – nyersolaj, dízelolaj, benzin, • Ipari felhasználás: • Benzol: műanyag, nylon, peszticidek, festékek eá. • Toluol, xilolok: oldószerek • p-xilolt tereftálsav gyártásban haszn. • Etilbenzol: festékekben, tintában, műanyagokban, peszticidekben • Károsak a központi idegrendszerre, légzőrendszerre • Benzol: karcinogén • Tovaterjedésük: párolgás, talajvíz, vagy talajszemcséhez kötődnek • Biodegradáció (ha a körülmények adottak): aerob –katekol-, vagy katekol származékon keresztül anaerob – főleg denitrifikáló körülmények között benzoil coA központi intermedieren keresztül

  25. BTEX vegyületek aerob degradációja Pseudomonas fajok di- vagy monooxigenáz enzimekkel

  26. Bioremediációs lehetőségek BTEX eltávolítására • Biostimuláció, bioaugmentáció • Illékonyságuk miatt gyakran biofiltert alk. – filterágyon (tőzeg, komposzt, faforgács …) biofilm, szervesanyag és szükséges nedvesség tartalom is a levegőárammal jut a mikrobákhoz • Csepegtetőágyas biofilter – szintetikus, szervetlen közeget tart., a tápanyagok folyadék formában. Az előzővel szemben az előnye a pH, nedvességtart. pontosabb tartása • Rostágyas bioreaktor – kokultúrában P. putida, P. fluorescens, a bioágyon BTEX tart-ú szennyvizet áramoltattak át, oxigén forrás H2O2 volt (lényege, hogy nem hajtották ki levegővel az illékony bontandó szervesanyagot) • Szennyezés környékén végzett biodiverzitás vizsgálat eredménye: • Pseudomonas, Mycobacterium, Microbacterium, Azoarcus, Bradyrhizobium fajok • Néhány mikroorg-ban egyszerre több toluol bontó út is aktív volt • Legtöbb esetben dioxigenáz (todC1, xylE), monooxigenáz (tmo) enzimeket kódoló géneket fogtak ki, sokuk plazmidon kódolt – TOL plazmid

  27. Szerves szennyező forrás metanogének Szulfát redukálók Fe(III) redukálók Nitrát és Mn(IV) redukálók Oxigénlimitált környezetben anaerob terminális elektronfogó folyamatok elkülönült zónákat alkotnak Valósz. annak következménye, hogy milyen e- akceptor van jelen

  28. Eredeti állapot Szennyeződés után közvetlenül Szennyeződés után későbbi állapot Szennyezés Szennyezés Fe(III) redukálók metanogének Fe(III) redukálók Zónák kialakulása • Harc az e- akceptorokért (ált. a Fe(III) a legbőségesebb) • Fe(III) és szulfát jelenlétében a vas- és szulfátredukáló fajok az uralkodók, ha ez az elektronakceptor elfogy, megjelennek a metanogének (vasredukálók elnyomják a szulfátredukálókat is) • Ha Mn(IV) és/vagy nitrát jelen van, akkor szinte biztos, hogy először Mn(IV) és/vagy nitrát redukáló zóna alakul ki a szennyeződés körül

  29. Fosszilis üzemanyagokban jelenlévő szerves kénvegyületek Mikrobiális kénmentesítés • A nyersolajban 0,05-5%, akár 14%-ban is jelen lehet a kén szerves kénvegyületekben - tiofének • üzemanyagokban szerves kéntartalmú vegyületek SOx savas eső • Fizikokémiai eltávolítása igen költséges • Biodeszulfurizáció: C-S kötés hasítása a C-C kötések megbontása nélkül • Főleg Rhodococcus fajok, de leírták Nocardia, Agrobacterium, Mycobacterium törzsekben is

  30. Dibenzotiofén mikrobiális bontása Pseudomonas-sal Szulfát redukálókkal Rhodococcus-sal A kén kénforrásként hasznosul a sejtek számára

  31. Biodeszulfurizációs eljárás sematikus ábrázolása A felszabaduló szervetlen kötésben lévő kén komponensek gátolják az enzimek aktivitását, ezért nagyobb átfolyási sebesség szüks.

  32. Felületaktív anyagok szerepe • Surfactants=surface active agents • Szintetikus v. bio- • egy hidrofil (vízkedvelő) és egy hidrofób (víztaszító) részből állnak =amfifil A hidrofób rész általában egy hosszabb szénhidrogén lánc, a hidrofil „fej” gyakran tartalmaz anionokat v. kaionokat • Három csoport: anionos, kationos, nem ionos felületaktív anyagok • Növelik a bioremediáció hatékonyságát azáltal, hogy „hozzáférhetővé” teszik a vízben nem, vagy rosszul oldódó (hidrofób) molekulákat • Szintetikus anyagok hátránya, hogy nem bomlanak le természetes úton • Biofelületaktív anyagok előnye, hogy biológiailag lebonthatók • A felületaktív anyagok a sejtek membránjának permeabilitását is befolyásolják, ami lehet pozitív, de negatív hatás is

  33. Felületaktív anyagok szerepe • Kis-, nagy molekulasúlyú f.a. - alacsony molekulasúlyú felületaktív a. (glikolipidek, lipopeptidek): csökkentik a fázishatár és a felszíni tenziót - nagy molekulasúlyú f.a. (amfipatikus poliszaharidok, fehérjék, lipopoliszaharidok, lipoproteinek) hatékonyan stabilizálják az ‘olaj a vízben’ emulziót, az olajcseppek emulzifikálásában vesznek részt alacsony koncentrációban (0,01-0,001%) a felületaktívanyag – szénhidrogén arány 1:100- 1:1000 • A bioemulzifikáló anyagok a sejtszaporodás stacionárius fázisában termelődnek ált., indukálhatók

  34. Termelő mikróbák • Felületaktív anyag termelő mikroorganizmusok: • Pseudomonas-ok pl.: rhamnolipidek • Rhodococcus fajok pl.: glikolipidek • Bacillus-ok pl.: lipopeptidek: surfactin • A mikrobák velük szabályozzák a sejtfelszíni tulajdon-ságaikat – hidrofobicitásukat • A felületaktív anyagok jelenléte hátrányos is lehet, főleg nagy konc-ban, a mikroorganizmusok membrán-szerkezetére is hatással lehetnek • egyes mikrobák bontják e vegyületeket

  35. Pseudomonasokra jellemző Néhány felületaktív molekula szerkezete Glikolipidek: • Rhamnolipidek • Trehalolipidek • Sophorolipidek egyes élesztőkrejellemző pl. Torulopsis bombicola Rhodococcusokra jellemző

  36. Bacillusokra jellemző Néhány felületaktív molekula szerkezete Zsírsavak, foszfopeptidek, neutrális lipidek: Lipopeptidek, lipoproteinek: viscosin surfactin subtilisin gramicidin polymyxin Acinetobacter-ekben Polimerek: Polimer f.a. pl: emulsan biodispersan liposan

  37. Felületaktív anyag hatása a biodegradációra

  38. liposzómák A fenti liposzóma szerkezet lehetővé teszi vízoldékony tápanyagok kapszulázását Pl. kazein kapszula a mellékelt grafikon szerint jelentősen javította a szénhidrogén bontás sebességét Kisebb molekulák, pl. nitrát kapszulázása nem szerencsés, mert nagyon gyorsan távozik a kapszulából. A kazein olcsó és elég nagy molekula, így jól használható nitrogénforrás

More Related