Μελέτη της κινητικής ανάπτυξης μικροοργανισμών κατά την βιοαποδόμηση τοξικών ρύπων σε πορώδη μέσα

Abstract

The problem of soil and groundwater contamination has been increasing in the last few decades. Industrial growth is usually accompanied by pollution of groundwater with hazardous organic compounds. Irresponsible disposal of organic compounds into the soil has serious adverse consequences for the ecosystem and public health. Among methods that have been proposed for remediation of contaminated soils, biological methods using microorganisms which are indigenous in soil, are preferable because of their low cost, effectiveness and the low production of byproducts. Growth kinetics of microorganisms in soil differs significantly from growth kinetics of microorganisms suspended in a well-mixed stirred tank reactor. The aim of the present work was the experimental study of growth kinetics of a soil-indigenous strain of the bacterium Pseudomonas fluorescens in sand packs (model soil) during the biodegradation of phenol. Phenol is an aromatic organic compound, which is widely used in industry, e.g. in paints, plastics, pharmaceuticals and many other products. Due to its extensive use, phenol is a common pollutant, especially in soil and groundwater. Experiments were initially conducted in sand packs, using glucose as a carbon source. The purpose of these experiments was the setup and test of the experimental procedure. Further experiments of growth kinetics in sand packs were conducted using phenol as a carbon source. In order to determine the growth kinetic parameters of Pseudomonas fluorescens for glucose and phenol biodegradation, batch experiments in liquid cultures were conducted. Finally, a hybrid simulator was developed for the theoretical investigation of growth kinetics of a bacterial population consisted a biofilm in microscale. The further aim of the theoretical simulator combined with the experimental results, was the elucidation of biodegradation mechanisms of toxic compounds by soil-indigenous bacteria in microscale, in order simple criteria for the prediction and remediation of polluted soils and groundwater to be developed.

Το πρόβλημα της ρύπανσης του εδάφους και του υδροφόρου ορίζοντα έχει πάρει ανησυχητικές διαστάσεις τις τελευταίες δεκαετίες. Η βιομηχανική ανάπτυξη πέρα απο τις θετικές συνέπειες που έχει για την ζωή των ανθρώπων, έχει δυστυχώς επιφέρει προβλήματα ρύπανσης του υπεδάφους και του υδροφόρου ορίζοντα με επικίνδυνες οργανικές ενώσεις. Η αλόγιστη και ανεύθυνη διαχείριση και διάθεση των αποβλήτων έχει αρνητικές και συχνά μη αντιστρεπτές συνέπειες για το οικοσύστημα και την δημόσια υγεία. Ανάμεσα στις μεθόδους για την αντιμετώπιση του προβλήματος της ρύπανσης του εδάφους και των υπογείων υδάτων, οι βιολογικές μέθοδοι κερδίζουν ολοένα έδαφος λόγω του χαμηλού κόστους, της αποτελεσματικότητας και του ελάχιστου αριθμού παραπροϊόντων. Οι βιολογικές μέθοδοι αποσκοπούν στην αποκατάσταση των εδαφών με την χρήση γηγενών μικροοργανισμών του εδάφους. Η κινητική ανάπτυξης των μικροοργανισμών στο έδαφος διαφέρει σημαντικά από την κινητική ανάπτυξης όταν οι μικροοργανισμοί αιωρούνται σε καλά αναδευόμενα περιβάλλοντα. Η συγκεκριμένη εργασία έχει σαν στόχο να μελετηθεί η κινητική ανάπτυξης ενός γηγενούς βακτηριακού πληθυσμού, του Pseudomonas fluorescens κατά την βιοαποδόμηση της φαινόλης σε κατάλληλη πειραματική διάταξη, χρησιμοποιώντας ως πρότυπο πορώδες μέσο πυριτική άμμο (SiO2) η οποία αποτελεί ένα από τα βασικότερα συστατικά του εδάφους. Η φαινόλη είναι μία αρωματική ένωση η οποία χρησιμοποιείται συχνά στην βιομηχανία για την παρασκευή χρωμάτων, πλαστικών και φαρμάκων. Εξαιτίας της ευρείας χρήσης της, συναντάται συχνά στο έδαφος και τον υδροφόρο ορίζοντα. Για τον σκοπό αυτό έγιναν αρχικά πειράματα σε διαφορικές κλίνες άμμου με πηγή άνθρακα την γλυκόζη έτσι ώστε να αναπτυχθεί η κατάλληλη πειραματική διάταξη και διαδικασία για την περαιτέρω μελέτη της κινητικής ανάπτυξης του μικροοργανισμού Pseudomonas fluorescens. Στην συνέχεια μελετήθηκε η κινητική ανάπτυξης του μικροοργανισμού χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα την φαινόλη σε κλίνες άμμου. Παράλληλα έγιναν και πειράματα διαλείποντος έργου για την μελέτη της κινητικής ανάπτυξης του συγκεκριμένου μικροοργανισμού σε υγρές καλλιέργειες με θρεπτικό υπόστρωμα τόσο την γλυκόζη όσο και την φαινόλη. Σκοπός των πειραμάτων αυτών ήταν ο προσδιορισμός των κινητικών παραμέτρων. Τέλος αναπτύχθηκε κατάλληλο θεωρητικό μοντέλο για την προσομοίωση της κινητικής ανάπτυξης ενός βακτηριακού πληθυσμού στην μικροσκοπική κλίμακα. Απώτερος στόχος του θεωρητικού μοντέλου σε συνδυασμό με τα πειραματικά αποτελέσματα είναι να γίνει αποσαφήνιση των μηχανισμών αποδόμησης τοξικών ρύπων στην μικροσκοπική κλίμακα απο γηγενή βακτήρια και να αναπτυχθούν απλά κριτήρια για την πρόβλεψη και τον σχεδιασμό αποτελεσματικών μεθόδων αντιμετώπισης περιπτώσεων ρύπανσης του υπεδάφους και του υδροφόρου ορίζοντα.