생물학적 치료 : 특성, 유형, 장점 및 단점 - 생물학

생물학적 정화는 토양과 물에서 오염 물질을 제거, 세균, 미생물, 곰팡이, 식물 및 / 또는 격리 효소의 대사 기능을 사용하여 생명 공학 위생의 집합입니다.

미생물 (박테리아 및 균류) 및 일부 식물은 무해하거나 무해하게 될 때까지 다양한 오염 및 독성 유기 화합물을 생물학적으로 변형시킬 수 있습니다. 메탄 (CH ₄ ) 및 이산화탄소 (CO ₂ ) 와 같은 일부 유기 화합물을 가장 단순한 형태로 생분해 할 수도 있습니다 .

그림 1. 기름 유출로 인한 환경 오염, 나중에 생물학적 정화로 처리 출처 : commons.wikimedia.org

일부 미생물과 식물은 환경 (현장)에서 중금속과 같은 독성 화학 원소를 추출하거나 고정시킬 수도 있습니다. 독성 물질을 환경에 고정함으로써 더 이상 살아있는 유기체가 사용할 수 없으므로 영향을 미치지 않습니다.

따라서 독성 물질의 생체 이용률을 줄이는 것도 환경에서 물질을 제거하는 것을 의미하지는 않지만 생물학적 정화의 한 형태입니다.

현재 지표 및 지하수, 슬러지 및 오염 된 토양의 생물학적 정화와 같은 경제적이고 낮은 환경 영향 (또는 "환경 친화적") 기술 개발에 대한 과학적, 상업적 관심이 증가하고 있습니다.

생물학적 정화의 특성

생물학적으로 정화 될 수있는 오염 물질

생물학적으로 정화 된 오염 물질 중에는 중금속, 방사성 물질, 독성 유기 오염 물질, 폭발성 물질, 오일에서 파생 된 유기 화합물 (다 방향족 탄화수소 또는 HPA), 페놀 등이 있습니다.

생물학적 정화 중 물리 화학적 조건

생물학적 정화 과정은 미생물과 살아있는 식물의 활동 또는 분리 된 효소에 의존하기 때문에 생물학적 정화 과정에서 대사 활성을 최적화하기 위해 각 유기체 또는 효소 시스템에 대해 적절한 물리 화학적 조건을 유지해야합니다.

생물 정화 과정 전반에 걸쳐 최적화 및 유지되어야 할 요소

-환경 조건 하에서 오염 물질의 농도 및 생체 이용률 : 너무 높으면 생물학적 변형 능력이있는 동일한 미생물에 해로울 수 있기 때문입니다.

-습도 : 물의 가용성은 살아있는 유기체뿐만 아니라 무 세포 생물학적 촉매의 효소 활성에 필수적입니다. 일반적으로 생물학적 정화가 진행되는 토양에서는 12 ~ 25 %의 상대 습도를 유지해야합니다.

-온도 : 적용된 유기체의 생존 및 / 또는 필요한 효소 활성을 허용하는 범위에 있어야합니다.

-생체 이용 가능한 영양소 : 관심 미생물의 성장과 증식에 필수적입니다. 주로 탄소, 인 및 질소는 물론 일부 필수 미네랄을 관리해야합니다.

-수성 매질의 산도 또는 알칼리도 또는 pH (매체의 H ⁺ 이온 측정 ).

-산소의 이용 가능성 : 대부분의 생물학적 정화 기술에서 호기성 미생물이 사용되며 (예 : 퇴비화, 바이오 파일 및 "토지 농장") 기질의 폭기가 필요합니다. 그러나 혐기성 미생물은 실험실 (생물 반응기 사용)에서 매우 통제 된 조건 하에서 생물 정화 공정에 사용될 수 있습니다.

생물학적 정화의 유형

적용된 생물 정화 생명 공학은 다음과 같습니다.

생체 자극

생물 자극은 오염 된 환경에 이미 존재하는 미생물 (자생 미생물)에 대한 현장 자극으로 구성되어 오염 물질을 생물학적으로 정화 할 수 있습니다.

현장 생체 자극은 원하는 프로세스가 발생하기 위해 물리 화학적 조건을 최적화함으로써 달성됩니다. pH, 산소, 습도, 온도 등 필요한 영양소를 추가합니다.

생체 증강

생물 증강은 실험실에서 자란 접종 물을 추가하여 관심있는 미생물 (가급적이면자가 균)의 양을 늘리는 것을 포함합니다.

그 후, 관심 미생물이 현장에서 접종되면 미생물의 분해 활성을 촉진하기 위해 물리 화학적 조건 (예 : 생물 자극)을 최적화해야합니다.

생물 증강을 적용하려면 실험실의 생물 반응기에서 미생물 배양 비용을 고려해야합니다.

생물 자극 및 생물 증강은 아래에 설명 된 다른 모든 생물 공학과 결합 될 수 있습니다.

퇴비화

퇴비화는 오염 된 물질을 식물 또는 동물 사육제 및 영양소가 보충 된 오염되지 않은 토양과 혼합하는 것으로 구성됩니다. 이 혼합물은 최대 3m 높이의 원뿔을 형성합니다.

원뿔 아래층의 산소화는 기계를 사용하여 한 사이트에서 다른 사이트로 정기적으로 제거함으로써 제어되어야합니다. 습도, 온도, pH, 영양소 등의 최적 조건도 유지되어야합니다.

바이오 파일

바이오 파일을 사용한 생물학적 정화 기술은 다음을 제외하고 위에서 설명한 퇴비화 기술과 동일합니다.

식물 또는 동물 기원의 번식 제가 없음.
한 사이트에서 다른 사이트로 이동하여 폭기 제거.

바이오 파일은 동일한 위치에 고정되어 있으며 파이프 시스템을 통해 내부 층에서 폭기되며, 설치, 운영 및 유지 보수 비용은 시스템 설계 단계에서 고려해야합니다.

토지 경작

"landfarming"(영어에서 번역 : 토지 경작)이라고하는 생명 공학은 오염 된 물질 (진흙 또는 퇴적물)을 넓은 지역의 처음 30cm의 오염되지 않은 토양과 혼합하는 것으로 구성됩니다.

첫 센티미터의 토양에서는 폭기 및 혼합 덕분에 오염 물질의 분해가 선호됩니다. 농업 기계는 쟁기 트랙터와 같은 이러한 작업에 사용됩니다.

토지 경작의 가장 큰 단점은 식량 생산에 사용될 수있는 넓은 토지가 반드시 필요하다는 것입니다.

식물 치료

미생물 및 식물 보조 생물 정화라고도하는 식물 정화는 지표 또는 지하수, 슬러지 및 토양에서 오염 물질의 독성을 제거, 제한 또는 감소시키기 위해 식물과 미생물을 사용하는 것을 기반으로하는 일련의 생명 공학입니다.

식물 정화 과정에서 오염 물질의 분해, 추출 및 / 또는 안정화 (생체 이용률 감소)가 발생할 수 있습니다. 이러한 과정은 뿌리에 매우 가깝게 살고있는 뿌리 권 (rhizosphere)이라는 영역에서 식물과 미생물 간의 상호 작용에 따라 달라집니다.

그림 2. 식물과 미생물로 오염 된 물의 생물학적 정화. 출처 : Wikimedia Commons의 Wikyhelper

식물 정화는 토양과 지표수 또는 지하수에서 중금속 및 방사성 물질을 제거하는 데 특히 성공적이었습니다 (또는 오염 된 물의 근경 여과).

이 경우 식물은 환경에서 나온 금속을 조직에 축적 한 다음 통제 된 조건에서 수확하고 소각하여 오염 물질이 환경에 분산 된 상태에서 재 형태로 농축됩니다.

얻은 재는 금속을 회수하기 위해 처리하거나 (경제적 이익이있는 경우) 폐기물의 최종 처리 장소에 버릴 수 있습니다.

식물 치료의 단점은 관련된 유기체 (식물, 박테리아 및 균근 곰팡이)간에 발생하는 상호 작용에 대한 심층적 인 지식이 부족하다는 것입니다.

다른 한편으로 모든 적용 유기체의 요구를 충족시키는 환경 조건은 유지되어야합니다.

생물 반응기

생물 반응기는 상당한 크기의 용기로, 관심있는 생물학적 공정을 선호하기 위해 수성 배양 배지에서 매우 제어 된 물리 화학적 조건을 유지할 수 있습니다.

박테리아 미생물과 진균은 실험실에서 생물 반응기에서 대규모로 배양 한 다음 in situ 생물 증강 공정에 적용 할 수 있습니다. 오염 물질 분해 효소를 얻기 위해 미생물을 배양 할 수도 있습니다.

생물 반응기는 오염 된 기질을 미생물 배양 배지와 혼합하여 오염 물질의 분해를 촉진함으로써 현장 외 생물 정화 공정에 사용됩니다.

생물 반응기에서 자란 미생물은 혐기성 일 수도 있으며,이 경우 수성 배양 배지에는 용존 산소가 없어야합니다.

그림 3. 생물 반응기. 출처 : es.m.wikipedia.org

생물 정화 생물 공학 중에서 생물 반응기의 사용은 장비 유지 보수 및 미생물 배양 요건으로 인해 상대적으로 비용이 많이 듭니다.

미세 치료

독성 오염 물질의 생물학적 정화 과정에서 곰팡이 미생물 (미세 진균)을 사용하는 것을 균류 정화라고합니다.

미세한 진균의 배양은 일반적으로 박테리아의 배양보다 더 복잡하고 따라서 더 높은 비용을 의미한다는 점을 고려해야합니다. 더욱이, 곰팡이는 박테리아보다 더 느리게 성장하고 번식하며, 곰팡이를 이용한 생물학적 치료는 더 느린 과정입니다.

기존의 물리적 및 화학적 기술과 비교하여 생물학적 정화

-이점

생물 정화 생명 공학은 기존에 적용된 화학 및 물리적 환경 위생 기술보다 훨씬 경제적이고 환경 친화적입니다.

이는 생물학적 정화의 적용이 기존의 물리 화학적 관행보다 환경에 미치는 영향이 낮다는 것을 의미합니다.

다른 한편으로, 생물학적 정화 공정에 적용되는 미생물 중 일부는 오염 화합물을 광물 화하여 환경에서 사라지는 것을 보장 할 수 있는데, 이는 기존의 물리 화학적 공정으로는 한 단계로 달성하기 어려운 일입니다.

-고려할 단점과 측면

자연에 존재하는 미생물 대사 능력

자연에 존재하는 미생물의 1 %만이 분리 된 것을 감안할 때 생물학적 정화의 한계는 정확히 특정 오염 물질을 생분해 할 수있는 미생물을 식별하는 것입니다.

적용 시스템에 대한 지식 부족

다른 한편으로, 생물학적 정화는 일반적으로 완전히 이해되지 않은 두 개 이상의 살아있는 유기체의 복잡한 시스템에서 작동합니다.

연구 된 일부 미생물은 오염 물질을 훨씬 더 독성이있는 부산물로 생물학적으로 변형 시켰습니다. 이러한 이유로 실험실에서 생물학적 정화 유기체와 그 상호 작용을 심도있게 연구 할 필요가 있습니다.

또한 소규모 파일럿 테스트 (현장에서)를 일괄 적용하기 전에 수행해야하며, 마지막으로 환경 위생이 올바르게 이루어 지도록 보장하기 위해 현장에서 생물학적 정화 프로세스를 모니터링해야합니다.

실험실에서 얻은 결과의 외삽

생물학적 시스템의 복잡성이 높기 때문에 실험실에서 소규모로 얻은 결과를 항상 현장 프로세스로 외삽 할 수는 없습니다.

각 생물학적 정화 과정의 특징

각 생물 정화 과정은 오염 된 부위의 특정 조건, 처리 할 오염 물질의 유형 및 적용 할 유기체에 따라 특정 실험 설계를 포함합니다.

그런 다음 이러한 과정은 생물 학자, 화학자, 엔지니어 등 학제 간 전문가 그룹에 의해 지시되어야합니다.

관심있는 성장과 대사 활동에 유리하도록 환경 물리 화학적 조건을 유지하는 것은 생물학적 정화 과정 동안 영구적 인 작업을 의미합니다.

소요 시간

마지막으로, 생물학적 정화 과정은 기존의 물리 화학적 과정보다 더 오래 걸릴 수 있습니다.

참고 문헌

Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). 가금류 깔짚을 사용하여 폐유로 오염 된 토양의 생물학적 정화. 공학 및 응용 과학 연구 저널 3 (2) 124-130
Adams, O. (2015). "Bioremediation, Biostimulation 및 Bioaugmentation : 검토". International Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1) : 28–39.
Boopathy, R. (2000). "생물 정화 기술을 제한하는 요인". 생물 자원 기술. 74 : 63–7. 도이 : 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY 및 Schoeder, D. (1999). Biorecovery의 원리. 스페인 마드리드의 McGraw-Hill Interamericana. 296 쪽.
Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA 및 Brock, T. (2015). 미생물의 브록 생물학. 14 ed. 벤자민 커밍스. 1041 쪽.
McKinney, RE (2004). 환경 오염 제어 미생물학. M. Dekker. 453 쪽.
Pilon-Smits E. 2005. 식물 치료. Annu. Plant Biol.56 : 15-39.

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