1

Facultatea de Stiinta si Ingineria Mediului UBB Cluj-Napoca

Nivel masterat :

Evaluarea Riscului si Securitatea Mediului

Tehnologii avansate de reconstructie ecologica si bioremediere a terenurilor degradate

Note de curs

Lector dr.biolog Dana Malschi

2013

2

FIŞA DISCIPLINEI 1. Date despre program 1.1 InstituŃia de învăŃământ superior Universitatea Babeş-Bolyai Cluj-Napoca 1.2 Facultatea ŞtiinŃa şi ingineria mediului 1.3 Departamentul Analiza si ingineria mediului 1.4 Domeniul de studii Ingineria mediului 1.5 Ciclul de studii Masterat 1.6 Programul de studiu / Calificarea Masterat ERSM - Evaluarea riscului si securitatea mediului 2. Date despre disciplină 2.1 Denumirea disciplinei NMER 1402 Tehnologii avansate de reconstructie ecologica si

bioremediere a terenurilor degradate 2.2 Titularul activităŃilor de curs Şef de lucrări dr.biolog Malschi Dana, CS I / membru asociat ASAS 2.3 Titularul activităŃilor de seminar Şef de lucrări dr.biolog Malschi Dana, CS I / membru asociat ASAS 2.4 Anul de studiu 2 2.5 Semestrul 4 2.6. Tipul de evaluare Examen 2.7 Regimul disciplinei Obli

gatoriu

CompetenŃele specifice acumulate

Com

pete

nŃe

prof

esio

nale

Dobândirea competenŃelor importante pentru: • Elaborarea bio- şi eco-tehnologiilor;

• ReconstrucŃia ecologică prin bioremedierea şi recultivarea zonelor degradate, haldelor

de steril, a siturilor industriale şi urbane degradate.

• Bioremedierea zonelor şi ecosistemelor degradate prin depoluare biologică: biotransformări, biodegradări, bioacumulare, fitoextractie etc.

Com

pete

nŃe

tran

sver

sale

Dobândirea competenŃelor pentru: • Elaborarea bio-şi ecotehnologiilor integrate de protecŃie şi inginerie a

mediului,

• Managementul si controlul poluării industriale, agricole, silvice, urbane,

• Valorificarea şi utilizarea resurselor naturale de biodiversitate pentru dezvoltarea durabilă a mediului.

Obiectivele disciplinei (reieşind din grila competenŃelor acumulate)

Tematica 8.1 Curs „Tehnologii avansate de reconstructie ecologica si bioremediere a terenurilor degradate” (Teme) CAP. I. NoŃiuni de bază privind reconstrucŃia ecologică şi bioremedierea ecosistemelor naturale şi antropizate, a zonelor degradate.

1. ImportanŃa biotehnologiilor aplicate la mediu în relaŃie cu dezvoltarea durabilă în diferite sisteme biotehnice şi ecologice.

2. Complexitatea tehnologiei de reconstructie ecologica a siturilor degradate. Rolul plantelor şi

7.1 Obiectivul general al disciplinei

• Acumularea cunoştinŃelor avansate privind tehnologiile de bioremediere a calităŃii mediului şi de reconstrucŃie ecologică utilizând factori biotici şi resurse de biodiversitate. Aceste cunoştinŃe sunt utile specialiştilor pentru înŃelegerea importanŃei elaborării strategiilor managementului integrat de mediu, incluzând şi biotehnologiile de depoluare, în contextul asigurării dezvoltării durabile a vieŃii.

7.2 Obiectivele specifice

• Insuşirea cunoştinŃelor teoretice şi practice privind bioremedierea mediului, reconstrucŃia biodiversităŃii sau refacerea echilibrului biocenotic în zone afectate de factori distructivi, în ecosisteme naturale şi antropizate;

• Dobândirea competenŃelor necesare pentru analiza şi evaluarea principalelor cazuri de dezechilibru şi disfuncŃionalităŃi naturale şi antropice şi pentru elaborarea biotehnologiilor adecvate de bioremediere, restaurare, reconstrucŃie ecologică.

3

microorganismelor edafice în reconstrucŃia ecologică. 3. Problematica tehnologiilor de bioremediere. Biodegradarea poluanŃilor sub acŃiunea

microorganismelor. Bioremedierea prin depoluarea şi biodegradarea substanŃelor organice 4. Indicatori biologici de poluare. Bioindicatori în mediul acvatic. Bioindicatori in mediul terestru.

Metode biologice pentru determinarea toxicitatii solurilor şi de evaluare a tehnologiilor de bioremediere. Solul ca substrat pentru microorganisme. Solul ca substrat pentru creşterea plantelor.

CAP.II. ReconstrucŃia ecologică şi recultivarea zonelor degradate. 5. Tehnologii de reconstructie ecologica a siturilor degradate sau poluate industrial, a haldelor de

steril, iazurilor de decantare, realizarea solurilor tehnogene. 6. Recultivarea depozitelor de deşeuri urbane industriale.

CAP III. Tehnologii de bioremediere pentru depoluarea biotopurilor, biocenozelor şi ecosistemelor degradate 7. Bioremedierea ecosistemelor acvatice . Bioremedierea apelor subterane contaminate şi a apelor uzate cu

ajutorul microorganismelor (bacterii, cianobacterii, fungi) şi plantelor superioare.

8. Bioremedierea şi restaurarea ecosistemelor terestre naturale şi antropizate. Biotehnologii de remediere în pajişti,culturi agricole, plantaŃii, păduri.

9. Bioremedierea solurilor contaminate. Biodegradarea compusilor organici sintetici. 10. Bioremedierea solurilor contaminate cu hidrocarburi. Principiile proceselor de bioremediere a

solurilor contaminate cu hidrocarburi. Factori care afectează biodegradarea in sol. 11. Bioremedierea solurilor contaminate cu metale grele.

Metode de bioreremediere a solurilor şi substratelor contaminate cu metale grele. Bioremedierea cu ajutorul comunităŃilor microbiene. Bioremedierea solurilor contaminate cu metale grele, in-situ.

12. Bioremedierea solurilor contaminate cu dioxid de sulf. 13. ImportanŃa biotehnologiilor aplicate la mediu în relaŃie cu dezvoltarea durabilă în diferite sisteme

biotehnice şi ecologice. 14. Colocviu-prezentarea/analiza proiectului.

8.2 Seminar / laborator (Teme / indici după lista bibliografică) CAP. I. NoŃiuni de bază privind reconstrucŃia ecologică şi bioremedierea ecosistemelor naturale şi antropizate, a zonelor degradate.

1. ImportanŃa biotehnologiilor aplicate la mediu . Rolul biotehnologiilor în limitarea poluării – metode biologice nepoluante în protecŃia mediului şi în combaterea dăunătorilor plantelor . Rolul ecotehnologiei agroforestiere in protecŃia mediului, bioremedierea terenurilor agricole deteriorate, agricultura ecologică, în condiŃiile încălzirii şi aridizării climatice.

2. Rolul plantelor şi microorganismelor edafice în reconstrucŃia ecologică. Plante ierboase utilizate în recultivarea terenurilor degradate. AsociaŃii de arbori şi arbuşti utilizati in recultivarea terenurilor degradate. Speciile amelioratoare de sol (fixatoare de azot).

3. Bioremedierea cu ajutorul comunităŃilor microbiene. Tehnologii de aplicare a bioremedierii in situ şi ex situ. Analize microbiologice: grupe ecofiziologice de bacterii din sol.

4. Bioindicatori de poluare. Colectarea, transportul, depozitarea şi prepararea probelor. Prelucrarea datelor şi interpretarea statistică. Efectele poluanŃilor asupra florei solului–Metodă pentru măsurarea creşterii rădăcinilor: IDT ISO 11269-1:1993. Determinarea efectului substanŃelor adăugate: ISO 11269. Calitatea solului – Determinarea efectelor poluanŃilor asupra florei.

CAP.II. ReconstrucŃia ecologică şi recultivarea zonelor degradate. 5. Tehnologii avansate de reconstructie ecologica .Plante utilizate in recultivarea terenurilor degradate.

Impădurirea haldelor. Lucrări de ameliorare a condiŃiilor pentru instalarea şi dezvoltarea vegetaŃiei forestiere.

CAP III. Tehnologii de bioremediere pentru depoluarea biotopurilor, biocenozelor şi ecosistemelor degradate 6. Biotehnologii de remediere a apelor poluate. 7. Indepărtarea metalelor grele din ape poluate şi din levigate ale solurilor contaminate cu ajutorul

cianobacteriilor. 8. Epurarea biologică a apelor poluate prin zone umede construite (asociate de plante acvatice, fungi

şi microorganisme) pentru tratarea apelor uzate sau a eluatelor din soluri contaminate cu metale grele..

9. Biotehnologii de remediere în pajişti,Culturi agricole, plantaŃii, păduri. Indicatorilori bacteriologici şi enzimologici de calitate a solului expus tehnologiilor de bioremediere

10. Studiul şi analiza microbiotei depoluante. Metode biologice de bioremediere şi depoluare a solurilor.

4

Metode biologice de imobilizare şi de extracŃie a poluanŃilor. Rolul microflorei în detoxificarea solului.

11. Metode de tratare a solurilor contaminate cu hidrocarburi. Biodegradarea hidrocarburilor poluante sub actiunea microorganismelor. CondiŃiile de aplicare a bioremedierii hidrocarburilor in situ şi ex situ. Atenuarea naturală monitorizată. Fitoremedierea. Tratarea cu ajutorul terenului agricol. Compostarea.

12. Rolul microorganismelor în fixarea sau mobilizarea metalelor în sol. Utilizarea plantelor şi microorganismelor la extractia biologica a metalelor grele din soluri contaminate. FitoextracŃia. Fitostabilizarea.

13. Organisme heterotrofe implicate în oxidarea sulfului din sol.

14. ImportanŃa biotehnologiilor aplicate la mediu Colocviu-prezentarea/analiza proiectului.

Studii de caz (tematica pentru proiect) 1. Bioremediere şi reconstrucŃie ecologică pe halda de deseuri urbane Şomîrd-Mediaş,

jud.Sibiu. 2. Metode de fitoremediere a apelor poluate industrial - Batalul Şomîrd-Mediaş,

jud.Sibiu 3. Studiul tehnologiilor de reconstrucŃie ecologică şi bioremediere a iazurilor de

decantare la exploataŃia minieră Rodna, jud. BistriŃa –Năsăud“ 4. Impactul ambiental si reconstructia ecologică a haldelor de steril in zona miniera

Baia-Borsa, jud. Maramureş. 5. ReconstrucŃia ecologica in zona poluata istoric a exploataŃiei miniere Bloaja BăiuŃ,

Maramureş. 6. FitoextracŃia de metale grele din apele acide din zona Certej/Muntii

Metaliferi/Deva, jud.Hunedoara.. 7. Reabilitare ecologică a poluarii istorice în arealul metalurgic Zlatna - fosta uzina de

prelucrare a cuprului AMPELUM SA)/( OS Abrud) 8. Tehnologii de reconstrucŃie ecologică în perimetrul exploataŃiei miniere Roşia

Montană. 9. Studiul tehnologiilor de bioremediere a haldelor de steril din zona minieră auríferă

Baia-Mare. 10. Evaluarea riscului ambiental şi reconstrucŃia ecologică în perimetrul exploataŃiei

miniere de sulf Călimani, jud. Suceava. 11. Managementul ecologic al exploataŃiei miniere Fundu-Moldovei, Jud.Suceava. 12. Bioremedierea terenurilor si apelor poluate din perimetrul platformei de deşeuri a

Combinatului chimic Târnăveni 13. Tehnologii de decontaminare biologică a solului poluat cu petrol. 14. Metode de bioremediere, de depoluare si reconstructie ecologica in perimetrul

exploataŃiei petroliere Suplacul de Barcău. 15. Bioremediere şi reconstrucŃie ecologică pe zona poluata industrial a pârâului Cugir,

jud.Alba. 16. Evaluarea riscului si tehnologiile de depoluare a apelor uzate la StaŃia de epurare

BistriŃa. 17. Evaluarea impactului de mediu a tehnologiilor de reîmpădurire in zonele de risc

produse dupa defrişări in zona Luduş-Târnăveni. 18. Investigatii asupra agroecosistemului cu perdele forestiere Cean-BolduŃ din Câmpia

Transilvaniei sub aspectul impactului de mediu, evaluarii riscului si securitatii productiei agricole.

19. Combaterea integrată a dăunătorilor din pepinierele şi zone silvice, din culturi, pajişti, plantaŃii etc. parte a managementuui de mediu.

5

20. Utilizarea unor biotehnologii in combaterea integrata a dăunătorilor plantelor de cultură.

21. Utilizarea feromonilor in managementul integrat al lepidopterelor la cultura porumbului.

22. Depoluarea biologică prin fitoextracŃia poluantilor (metale grele, coloranti, ftalati etc.).

23. Utilizarea unor plante acvatice (Lemna minor) pentru bioremedierea apelor poluate 24. Fitoremedierea (cu Lolium perenne L.) a solurilor poluate

Proiectul va cuprinde un referat stiintific de aprox. 10 pagini, cu documentatie mentionata in text si in Bibliografie, predat in format ppt pentru prezentare si listat/indosariat.

• BIBLIOGRAFIE 1. CRISTEA, V., SIMONE DENAEYER, 2004. DE LA BIODIVERSITATE LA OGM-URI?

COLECTIA UNIVERSITAS SERIA BIOLOGIE, ED. EIKON, CLUJ-NAPOCA. 2. DENUł I. (eds.), 2000. Reabilitarea ecologică şi managementul siturilor degradate de industria

minieră. Ed. Univ.de Nord, Baia-Mare 3. ELENA GAVRILESCU, 2006. Evaluarea ecosistemelor acvatice. Ed. SITECH, Craiova. 4. Ghidra V. 2004. ECOTOXICOLOGIA SI MONITORIZAREA PRINCIPALILOR POLUANTI. ED.

STUDIA.CLUJ-NAPOCA 5. KISS ŞT. ŞTEFANIC GH., DANIELA PAŞCA, DRAGAN-BULARDA M., EVA

ZBOROVSCHI, CRIŞAN R., 1991. ENZIMOLOGIA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR. ENZIMELE ŞI FERTILITATEA SOLULUI. VOL. I. ED. CERES, BUCUREŞTI

6. KISS ŞTEFAN, DRAGAN-BULARDA MIHAIL, DANIELA PAŞCA, 1993. ENZIMOLOGIA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR. ENZIMOLOGIA SOLURILOR TEHNOGENE. VOL. II. ED. CERES, BUCUREŞTI

7. OROS V. 2002. REABILITARE ECOLOGICA A SITURILOR DEGRADATE INDUSTRIAL. ED.UNIV.TRANSILVANIA, BRASOV

8. MALSCHI DANA, 2009. INTEGRATED PEST MANAGEMENT IN RELATION TO ENVIRONMENTAL SUSTAINABILITY. PART I. ECOLOGICAL MANAGEMENT OF WHEAT PESTS.COURSE NOTES AND PRACTICAL APPLICATIONS. MANUAL ONLINE. FACULTY OF ENVIRONMENTAL SCIENCES, BABEŞ-BOLYAI UNIVERSITY, CLUJ-NAPOCA. BIOFLUX PUBLISHING HOUSE, CLUJ-NAPOCA, P. 200. ISBN 978-606-92028-3-8. HTTP://WWW.EDITURA.BIOFLUX.COM.RO/CARTI-2009/

9. MALSCHI DANA, 2009. BIOTEHNOLOGII SI DEPOLUAREA SISTEMELOR ECOLOGICE. (TEHNOLOGII DE DEPOLUARE BIOLOGICA,TEHNOLOGII DE BIOREMEDIERE. RECONSTRUCTIA ECOLOGICA). NOTE DE CURS SI APLICATII PRACTICE. MANUAL IN FORMAT ELECTRONIC FACULTATEA DE STIINTA MEDIULUI, UNIVERSITATEA BABES-BOLYAI CLUJ-NAPOCA. EDITURA BIOFLUX, CLUJ-NAPOCA. P. 200. 978-606-92028-5-2. HTTP://WWW.EDITURA.BIOFLUX.COM.RO/CARTI-2009/ .

10. Malschi Dana, 2011, Caiet de practică pentru laboratorul didactic de biotehnologii, format electronic, http://enviro.ubbcluj.ro/cercetare/laboratoare/Laborator de biotehnologii.php/. Evaluare Tip activitate 10.1 Criterii de evaluare 10.2 metode de evaluare 10.3 Pondere

din nota finală 10.4 Curs Colocviu /prezentare proiect Colocviu 50 % 10.5 Seminar/laborator PrezenŃă, răspunsuri,

proiect. Notare pe parcurs şi proiect.

50 %

6

Tehnologii avansate de reconstructie ecologica si bioremediere a terenurilor degradate

Cuprins: 1. Bioresursele naturale implicate in bioremediere 2. Tehnologiile de bioremediere 3. Bioremedierea prin extractia biologica a metalelor grele

Biodegradarea poluantilor din soluri sub actiunea microorganismelor Bioremedierea cu ajutorul comunităŃilor microbiene. Biomonitoringul poluarii solului cu metale grele

Indepartarea metalelor grele din ape poluate şi levigate ale solurilor contaminate cu ajutorul cianobacteriilor Bioremedierea prin zone de inundare artificiale sau zone umede construite pentru tratarea apelor uzate sau a eluatelor din soluri contaminate cu metale grele.

4. Reconstructia ecologica

Bioresursele naturale implicate in bioremediere Motivatia cunoasterii tehnologiilor de bioremediere si reconstructie ecologica si a

aplicarii lor in depoluarea mediului consta in • realizarea obiectivelor privind remedierea solurilor si apelor contaminate prin

activitati antropice, mai ales industriale; • realizarea obiectivului general de utilizare si dezvoltare durabila a resurselor

naturale, a patrimoniului reprezentat de calitatea solului, in evolutia conditiilor globale de mediu.

Eficienta activitatii de depoluare biologica, reusita tehnologiilor de bioremediere, rezulta din

• conservarea biodiversitatii microbiotei si fitocenozelor; • din reconstructia ecologica a zonelor degradate/poluate antropic, • din bioremedierea solului privit ca sistem biotehnogen ecologic integrat.

Importanta microbiotei solului. 1. In sol, microorganismele stabilesc echilibrul între substanŃele organice şi

anorganice, între materia vie şi cea nevie. Formarea CO2 sub acŃiunea de biodegradare-mineralizare a microorganismelor

constituie etapele de bază ale ciclului biogeochimic al carbonului. Ciclul carbonului se desfăşoară simultan şi în combinaŃie cu ciclul oxigenului şi al

hidrogenului: prin fotosinteza plantelor verzi din CO2 şi H2O se formează compuşi organici conŃinând H şi se eliberează O2; în cursul descompunerii totale a substanŃelor organice, C şi H se eliberează prin participarea O sub forma de CO2 , respectiv H2O. Ciclurile celorlalte elemente (N, P, S, etc) de asemenea sunt legate de ciclul carbonului.

În totalitatea lor speciile microbiene sunt omnivore capabile de degradarea tuturor substanŃelor organice de origine biologică.

Unii compuşi organici sintetici, xenobiotici (compuşi inexistenŃi în natură, creaŃi de om) nu sunt însă biodegradabili: o serie de pesticide, detergenŃi, medicamente, unele mase plastice, care constituie pericolul cel mai mare pentru poluarea mediului înconjurător

7

2. Microorganismele din sol au un rol primordial în fertilitatea solului, transformând substanŃele organice în substanŃe anorganice. Microorganismele joacă un anumit rol şi în descompunerea rocilor, în formarea sulfaŃilor şi nitraŃilor, unele fixează azotul atmosferic, iar altele produc bioxid de carbon, atât de necesar în producŃia primară a plantelor superioare (Drăgan-Bularda,M., Kiss, S., 1986).

Activitatea specifică a microorganismelor. Microorganimele sunt răspândite în natură pretutindeni, ele având o plasticitate şi adaptabilitate mai mare decât orice alt organism viu. Activitatea microorganismelor se concretizează în degradarea substratului, prin

activitatea lor vitală, inducand o serie de transformări biochimice ale mediului lor de viaŃă. Termenul de degradare a substratului este utilizat avand in vedere ca microorganismele folosesc substanŃele complexe din substrat pe care le transformă în substanŃe mai simple. Toată activitatea microorganismelor are la bază transformări (reacŃii) biochimice, în condiŃii de mediu favorabile (temperatură, pH, prezenŃa sau absenŃa de oxigen şi substrat), determinate de catalizatori, reprezentaŃi de enzimele secretate de microorganisme. Toate reacŃiile de transformare a substratelor prin intermediul microorganismelor sunt reacŃii enzimatice care au loc în interiorul celulei lor sau în mediu sub acŃiunea enzimelor secretate pe substrat.

Pentru activitatea umană este importantă atât această activitate naturală a microorganismelor, cum este cazul

• descompunerii materiilor organice din sol, • putrezirea produselor naturale, etc., cât şi • activitatea lor în cadrul unor zone poluate, degradate antropic, amenajări

artificiale, incinte industriale. În natură, microorganismele trăiesc în biocenoze complexe împreună cu alte

microorganisme şi cu alte tipuri de vieŃuitoare, in interrelaŃii complexe a căror cunoaştere este importantă pentru a controla si utiliza aceste procese în practica (Dragan-Bularda si Samuel, 2006). Activitatea enzimatică a solului. Activitatea enzimatică a solului

• Reprezinta un parametru de calitate al solului, • Este rezultatul activităŃii

o enzimelor acumulate şi a o enzimelor din microorganismele proliferante.

Sursele enzimelor acumulate in sol sunt: • în primul rând, celulele de microorganisme. • şi din resturile organice (vegetale şi animale).

Enzimele se acumulează în sol ca: • enzime libere (exoenzime eliberate din celulele vii si endoenzime eliberate din celulele dezintegrate) şi ca • enzime legate de constituenŃii celulari, adică enzime prezente

o în celulele dezintegrate (în fragmentele celulare), o în celulele vii, dar neproliferante. o Enzimele microorganismelor proliferante sunt atat cele care se

eliberează din celulele vii aflate în curs de multiplicare, cât şi cele care se găsesc în interiorul celulelor în curs de multiplicare.

Enzimele libere sunt adsorbite de particulele organice şi minerale, din sol sau/şi complexate cu substanŃele humice. Cantitatca enzimelor libere este mult mai mică în soluŃia solului, decât în stare adsorbită sau/şi complexată.

8

Activitatea enzimatica din sol joacă un rol important în procesele de descompunere şi mineralizate (Kiss si col.1991).

Metoda principală prin care se studiază această problemă se bazează pe compararea transformarii substratului enzimatic în probele de sol conŃinând microorganisme proliferante cu cea din probele aceluiaşi sol, în care proliferarea microorganismelor a fost oprita.

Solul este un sistem enzimatic, în care enzimele acumulate si enzimele microorganismelor proliferante – au o semnificaŃie biologică deosebită, participând la

• ciclurile biologice ale elementelor şi • contribuind la fertilitatea solului, • la crearea condiŃiilor favorabile pentru nutriŃia plantelor superioare şi, implicit, • la perpetuarea vieŃii pe planeta noastră (dupa Kiss, Ştefanic, Paşca, Dragan-

Bularda, Zborovschi, Crişan, 1991). Activitatea de depoluarea prin biodegradare-mineralizare a substanŃelor organice in sol

2. ImportanŃa microorganismelor din sol pentru depoluarea biologică. Un alt parametru dinamic de calitate al solului este activitatea de depoluarea prin

biodegradare şi mineralizare a substanŃelor organice din sol. Aceasta include biodegradarea glucidelor (descompunerea celulolozei, glucozei,

substanŃelor pectice, amidonului, chitinei, ligninei etc.). biodegradarea hidrocarburilor alifatice (metan, etan, propan etc.) si aromatice (benzen, toluen etc.). descompunerea lipidelor. biodegradarea pesticidelor. descompunerea proteinelor din resturi vegetale, animale şi microorganisme si a compusilor organici cu azot(Drăgan-Bularda, Kiss, 1986). PopulaŃia microbiană a solului este alcătuită din reprezentanŃii tuturor grupelor de microorganisme: bacterii, actinomicete, fungi (micromicete, drojdii), alge microscopice şi protozoare. Acestor grupe de microorganisme li se alătură şi virusurile din sol.

Bacteriile constituie grupul cel mai important al microorganismelor din sol. Intensitatea proceselor, prin care microorganismele participă la ciclurile biologice ale

elementelor, este cea mai ridicată la bacterii; face excepŃie descompunerea chitinei (un polizaharid cu azot din compoziŃia unor fungi, respectiv din exoscheletul insectelor) în care acŃiunea actinomicetelor este mai intensă, precum şi descompunerea ligninei şi a celulozei în care predomină micromicetele.

După Vinogradski, bacteriile din sol sunt de două tipuri: autohtone şi zimogene. • Bacteriile autohtone sau indigene se caracterizează prin aceea că numărul lor

nu este supus unor fluctuaŃii mari şi ca ele utilizează ca hrană substanŃele organice proprii solului (substanŃele humice).

• Bacteriile zimogene produc fermentaŃii (fermentează celuloza, substanŃele pectice, amidonul etc.) şi numărul lor creşte după adăugarea substanŃelor organice la sol şi scade pe măsura epuizării acestor substanŃe. O delimitare perfectă între bacteriile autohtone şi cele zimogene nu este posibilă.

Bacteriile se dezvoltă nu în soluŃia de sol, ci pe suprafaŃa particulelor de sol, mai

ales pe acelea care au diametrul de minimum 100-200 µm (Drăgan-Bularda, Kiss, 1986). CLASIFICAREA BACTERIILOR DIN SOL

Deşi reprezentanŃii majorităŃii genurilor bacteriene sunt prezenŃi în sol, importanŃa deosebită pe care bacteriile din sol o au este legată numai de anumite bacterii. Acestea sunt prezente în sol în mod constant şi într-un număr mare şi contribuie la activitatea biologică a solului într-o măsură foarte accentuată.

9

1. BACTERII ALUNECĂTOARE. Se deplasează prin mişcări de alunecare pe substrat. Cuprind două ordine.

I. Ordinul Myxobacterales. Sunt bastonaşe incluse într-o masă de mucilagiu. Se subŃiază spre capete sau au diametrul uniform şi capetele rotunjite. In contact cu o suprafaŃă solidă sau la interfaŃa aer-apă, se deplasează prin alunecare. Nu au organite celulare de locomoŃie. Sunt Gram-negative. Formează corpi de fructificaŃie, alcătuiŃi din celule şi mucilagiu. In aceşti corpi, care frecvent sunt coloraŃi şi au dimensiuni macroscopice, celulele iniŃiale (vegetative) devin celule de repaos (rezistente la uscăciune) numite şi mixospori. La unele mixobacterii, mixosporii nu se pot distinge de celulele vegetative, iar la altele, celulele de repaos sunt bastonaşe mai scurte sau sferice şi se numesc microchisturi. Mixosporii pot fi incluşi în sporangii care au forme şi dimensiuni caracteristice. Sporangiile se pot ridica deasupra substratului, prin pedunculi simpli sau ramificaŃi.

Mixobacteriile sunt chimioorganoheterotrofe = heterotrofe (folosesc pentru nutriŃie substanŃe organice) şi aerobe (trăiesc în prezenŃa O2). Produc enzime cu acŃiune litică asupra multor macromolecule (proteine, acizi nucleici, polizaharide, inclusiv celuloza). Multe mixobacterii sunt capabile să lizeze alte bacterii sau chiar unele microorganisme eucariote (alge microscopice, fungi) . Amintim câteva genuri : Myxococcus, Archangium, Cystobacter, Melittangium, Stigmatella, Polyangium, Nannocystis, Chondromyces. II. Ordinul II. Cytophagales. Bacteriile din acest ordin sunt bastonaşe sau filamente. Nu formează corpi de fructificaŃie. Sunt Gram-negative.

NutriŃia lor este chimioorganoheterotrofă, dar poate fi şi chimiolitoautotrofă=autotrofe (fixează CO2 cu ajutorul energiei chimice)( de ex. Beggiatoa) sau mixotrofă.

Cităm 3 genuri importante: Cytophaga (nu formează microchisturi, descompune celuloza, chitina şi agarul), Sporocytophaga (produce microchisturi, descompune celuloza, Flexibacter (nu atacă celuloza, dar foloseşte alŃi compuşi organici în nutriŃie). 2. BASTONAŞE ŞI COCI GRAM-NEGATIVI AEROBI. Din această grupă prezentăm 3 familii importante pentru viaŃa solului.

1. Familia Pseudomonadaceae cuprinde bastonaşe drepte sau curbate, ciliate polar, chimioorganoheterotrofe. Sunt capabile să utilizeze unul până la foarte mulŃi compuşi organici. Cităm genul Pseudomonas cu speciile Pseudomonas fluorescens (poate ataca circa 200 de compuşi organici), Pseudomonas putida, Ps.stutzeri.

2. Familia Azotobacteriaceae. Celulele sunt ovoide şi mari (Azotobacter, Azomonas) sau bastonaşe scurte (Beijerinckia, Derxia), ciliate polar, peritrih sau aciliate. Azotobacter formează chisturi (rezistente la uscăciune). Sunt chimioorganoheterotrofe şi fixează N2 trăind libere în sol. Sunt capabile şi de sinteza polizaharidului levan care contribuie la agregarea particulelor de sol şi la formarea unei structuri favorabile a solului din punct de vedere agronomic.

3. Familia Rhizobiaceae cuprinde bacterii sub formă de bastonaşe ciliate polar, subpolar sau peritrih, chimioorganoheterotrofe. Speciile de Rhizobium formează, la plantele leguminoase, nodozităŃi radiculare în care fixează azotul molecular (fixare simbiotică). Specii reprezentative: Rhizobium leguminosarum (produce nodozităŃi la mazăre, bob, linte), Rhizobium trifolii (produce nodozităŃi la trifoi). Noul gen creat Bradyrhizobium cu specia Bradyrh. japonicum produce nodozităŃi la planta tehnică Glycine hispida (soia). 3. BACTERII GRAM-NEGATIVE, CHIMIOLITOTROFE. Cuprinde bacterii nitrificatoare şi bacterii sulfoficatoare. Bacteriile nitrificatoare sunt încadrate în 7 genuri, 4 genuri cuprind bacteriile din faza I-a a nitrificării (nitritbacteriile, care oxidează NH3 la nitriŃi: Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus), iar 3 genuri cuprind bacteriile din faza a II-a a nitrificării (nitratbacteriile, care oxidează NO2

- la NO3-:Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus).

Dintre bacteriile sulfuroase (sulfoxidante) amintim genurile Thiobacillus şi Sulfolobus.

10

4. BASTONAŞE ŞI COCI CARE FORMEAZĂ ENDOSPORI. Endosporii sunt termorezistenŃi, rezistând la temperatura de 100oC. Din această grupă face parte Familia Bacillaceae. Sunt bastonaşe (Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum) sau coci (Sporosarcina). Bastonaşele sunt ciliate peritrih (cu cili pe toată suprafaŃa celulei) sau aciliate. Majoritatea lor sunt Gram-pozitive (excepŃie Desulfotomaculum). Sunt fără excepŃie chimiorganoheterotrofe.

Speciile de Bacillus (de exemplu Bac. brevis, Bac. subtilis, Bac. polymyxa, Bac. macerans, Bac. megaterium, Bac.cereus, Bac. pasteurii, Bac. coagulans, Bac. circulans) sunt aerobe sau facultativ anaerobe şi active în descompunerea proteinelor şi glucidelor. Speciile de Clostridium (de exemplu Cl.pasteurianum, Cl. thermocellum,Cl. felsineum, Cl.sporogenes, Cl. putrefaciens, Cl.butyricum, Cl. aurantibutyricum, Cl. acetabutylicum) sunt anaerobe, descompun mai ales glucidele şi sunt capabile şi de fixarea liberă a N2. Sporosarcina ureae este ureolitică (descompune urea) şi este aerobă. Desulfotomaculum cuprinde bacterii anaerobe şi desulfoficatoare (din sulfaŃi produc hidrogen sulfurat). (Drăgan-Bularda, Kiss, 1986, Drăgan-Bularda, Samuels, 2005).

Biodiversitatea microbioteia solului. Solul este mediul cel mai propice dezvoltării microorganismelor, fiind rezervorul

natural al unui număr imens de microorganisme. Diversitatea microorganismelor din sol este foarte mare. În sol, microorganismele au condiŃii favorabile de dzvoltare şi înmulŃire, prelucrând materia organică nevie şi folosind diferite substanŃe anorganice. CondiŃiile din sol sunt variabile în funcŃie de tipul de sol, de anotimp şi de regiunea geografică. Solul constituie sursa de infecŃie pentru celelalte medii- apa şi aerul (Nicolescu, 2002).

Natura microorganismelor din sol. Microbiota solului variază cantitativ şi calitativ în funcŃie de tipul de sol, de pH, vegetaŃie, condiŃii climatice etc. Microbiota solului este alcătuită din microorganisme autohtone, permanent prezente şi alohtone, a căror prezenŃă depinde de aportul de substanŃe minerale şi organice din exterior şi care supravieŃuiesc până la descompunerea acestor substanŃe (Nicolescu, 2002). Microbiota autohtonă este specifică fiecărui tip de sol, fiind adaptată metabolizării anumite tipuri de substanŃe relativ stabile în tipul de sol respectiv. Este implicată în toate procesele microbiologice care au loc în sol. Microbiota alohtonă este introdusă de om prin fertilizări sau prin deversări de ape reziduale. Intervine în unele procese ale solului. Microorganismele din gunoiul de grajd participă la mineralizarea materiei organice. Substantele lor de catabolism sunt metabolizate ulterior de diferite grupe de microorganisme autohtone. Majoritatea constituie însă poluarea microbiologică a solului.

Tipuri de microorganisme din sol. Compozitia microbiotei este influenŃată de sezon şi de gradul de prelucrare al solului (Nicolescu, 2002).

BACTERIILE. Predominante sunt bacteriile sub formă de microcolonii adsorbite pe particolelede sol, în toate tipurile de sol neutre şi alcaline. Unele produc polimeri de natură mucilaginoasă, care determină agregarea particulelor de sol, astfel încât solul devine mai granulat, ceea ce-i creşte aerarea şi fertilitatea. Cele mai frecvente genuri sunt: Bacillus, Arthrobacter, Agrobacterium, Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes.

Activitatea bacteriilor în sol condiŃionează fertilitatea, proprietăŃile şi evoluŃia solului, intervenind în procese de amonificare, în descompunerea unor compuşi azotaŃi rezistenŃi (ex. chitina), în formarea substanŃelor humice şi în echilibrarea microbiotei acestui mediu prin secreŃie de antibiotice.

În sol se află grupări de bacterii specializate care se dezvoltă pe substraturi specifice: - bacterii celulozolitice–degradează celuloza din materia vegetală moartă rămasă în sol. - bacterii nitrificatoare-produc oxidarea NH3 rezultat din procesele de metabolism, cu formare de azotaŃi şi azotiŃi, forma prin care plantele iau azotul din sol.

11

- bacterii sulfuroase, feruginoase au rol în circuitul sulfului şi a fierului în natură. - bacterii de putrefacŃie- degradează azotul organic şi produc putrezirea cadavrelor. - Actinomicetele (bacteriile filamentoase) reprezintă cca. 30% din microbiota totală a solului. Împreună cu bacteriile, determină mineralizarea substanŃelor de natură organică şi iau parte la formarea humusului, care este rezervorul de substanŃe nutritive pentru plante. Închiderea la culoare a solului se datorează actinomicetelor. Acest tip de sol reŃine mai bine căldura şi are calităŃi agrotehnice superioare. Ele se întâlnesc in toate tipurile de sol fiind mai numeroase în solurile bogate în substanŃe organice. Se dezvoltă mai ales în soluri alcaline. Sunt principalii agenŃi de amonificare şi chitinoliză, jucând un rol important în formarea humusului. Unele specii, fiind producătoare de antibiotice, au şi rol în menŃinerea echilibrului în microbiota solului. Umiditatea excesivă şi aciditatea le limitează dezvoltarea. Cele mai frecvente genuri sunt: Actinomyces, Actinoplanes, Mycobacterium, Mycococus, Micromonospora, Nocardia, Streptomyces. - Bacteriile sporulate patogene se pot întâlni în sol: Bacillus anthracis (produce antraxul oilor), Clostridium tetani (produce tetanosul), Clostridium botulini, Clostridium hystoliticum, Clostridium sporogenes (bacterii toxicogene). Prin dejecŃii sau cadavre, ajung în sol,accidental, de la purtători: Salmonella, typhi, Shigella dysenteriae, Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa. Durata de rezistenŃă a acestor bacterii în sol variază în funcŃie de specie, de tipul de sol şi de condiŃiile climatice. În general, bacteriile patogene nu găsesc în sol condiŃii favorabile de multiplicare, datorită temperaturii scăzute în raport cu optimul lor termic (37oC) şi mediul nutritiv necorespunzător, cât şi datorită concurenŃei altor bacterii, a actinomicetelor şi a prădătorismului protozoarelor. - Cianobacteriile: alcătuiesc cel mai numeros grup de microorganisme fotositetizante din păturile superficiale ale solului. Dominante sunt genurile Nostoc şi Oscillatoria. Ele sunt deosebit de importante întrucât sunt singurele organisme vii capabile să utilizeze în sinteza de substanŃe organice atât carbonul din CO2 cât şi azotul molecular. Specii fixatoare de azot molecular sunt: Anabaena, Calothrix, Chroococcus, Nostoc, Plectonema, Schizotrix.

VIRUSURILE sunt prezente mai ales sub formă de bacteriofagi şi actinofagi, care trăiesc în echilibru dinamic cu speciile de bacterii şi actinomicete pe care le parazitează, având o acŃiune litică slabă asupra acestora. Virusurile patogene nu pot fi vehiculate prin sol.

LEVURILE şi microfungii (mucegaiurile) sunt bine reprezentate în straturile superficiale ale solului care sunt mai bine aerate, umede şi bogate în substanŃe organice. Cele mai frecvente genuri sunt: Candida, Cryptococcus, Debaryomyces, Hansenulla, Lipomyces, Pichia. MUCEGAIURILE: predomină în solurile acide (soluri de pădure, podzoluri) unde realizează o biomasă de 500-1000 Kg/ha. Principalele genuri sunt: Mucor, Rhizopus, Aspergillus, Penicillium, care formează 50% din biomasa fungică însoŃite de Fusarium, Alternaria, Trichoderma, Trichotecium, Cladosporium.

ALGELE AUTOTROFE, întâlnite în straturile superficiale din sol, sintetizează materie organică. PROTOZOARELE reprezentate mai ales de flagelate şi rizopode sunt condiŃionate în activitatea lor de umiditatea solului şi de prezenŃa substanŃelor organice. Ele intervin în limitarea înmulŃirii microorganismelor pe care le folosesc ca hrană (Nicolescu, 2002). Numărul şi densitatea microorganismelor din sol În sol micoorganismele se află în concentraŃii de 9 x 107-3 x 1011 celule/g sol uscat. Numărul lor este dependent de tipul de sol (ex. în solurile argiloase se întâlnesc cca. 108

celule/gram, o microbiotă mai sărăcăcioasă în solurile acide, alcaline şi nisipoase). Aceste microorganisme formează o biomasă totală de cca. 0,5 – 6 t/ha.

12

Din totalul acestor micoorganisme cca. 30% sunt reprezentate de bacteriile Gram negative. Bacteriile se găsesc într-un număr ce oscilează între 3,6 x 107 – 1011 celule/g sol, ele totalizând o biomasă de până la 0,7 t/ha. Dominante sunt bacteriile filamentoase. Levurile ajung la 103 celule/g sol, dezvoltându-se pe resturi vegetale. Ciupercile formează o biomasă de 1 – 1,5 t/ha. Numărul imens se datoreşte faptului că în sol există întotdeauna o cantitate suficientă de substanŃă organică şi minerală, o umiditate satisfăcătoare, suficient oxigen şi un pH corespunzător.

Numărul cel mai mare de micoorganisme se găsesc în straturile superioare ale solului. Cu excepŃia straturilor superficiale, micoorganismele din sol sunt protejate de acŃiunea nocivă a razelor ultraviolete. DistribuŃia microorganismelor în sol

Bacteriile din sol se află sub formă de asociaŃii de 5-25 de celule, agregate de particulele de sol. Răspândirea în sol, este dependentă gradul de acces la oxigen. Astfel, la suprafaŃa solului se află mai multe bacterii aerobe, apoi unele bacterii facultativ anaerobe, iar în profunzime bacterii anaerobe. Levurile şi microfungii, fiind microorganisme aerobe, se întâlnesc numai la în straturile superficiale ale solului.

DistribuŃia pe verticală a microbiotei în sol este inegală. Cea mai bogată este zona până la 30 cm adâncime. ConcentraŃia de celule diferă în funcŃie de factorii nutritivi pe care îi conŃine solul. O concentraŃie mai mare se găseşte în zona rizosferei (zona de dezvoltare a rădăcinilor plantelor). DistribuŃia pe orizontală a microbiotei autohtone este dependentă de tipul de sol care determină selecŃia diferitelor tipuri fiziologice de adaptate metabolizării unor anumite tipuri de substanŃe prezente în compoziŃia solului (Nicolescu, 2002).. Factorii care condiŃionează distribuŃia microorganismelor în sol Tipul de microorganisme din sol, ca şi numărul lor variaază în funcŃie de structura fizico-chimică a solului, dar mai ales în funcŃie de substanŃele organice şi anorganice din sol, de pH-ul solului şi de cantitatea de oxigen. Tipul de sol este astfel principalul factor de selecŃie al acestora. Umiditatea permite dezvoltarea microorganismelor la suprafaŃa solului, iar în solurile mai aride microorganismele sunt mai abundente în straturile profunde. Se observă o variaŃie sezonieră a microorganismelor din sol determinată de umiditate, de concentraŃia de substanŃe organice şi de temperatură. Densitatea maximă este întâlnită primăvara, iar cea minimă iarna. Un maxim secundar se întâlneşte toamna. Uscăciunea din timpul verii diminuează numărul de microorganisme din sol dar contribuie favorabil la transformarea substanŃelor organice care vor fi metabolizate cu mai mare uşurinŃă toamna. Datorită varietăŃii lor mari, microorganismele din sol se dezvoltă în condiŃiile unei concurenŃe puternice pentru rezerva de hrană disponibilă. Fiecare specie trebuie să suporte produşii de dezasimilaŃie ai altor specii, care pot fi toxici pentru ele. Datorită interrelaŃiilor foarte complexe între speciile de microorganisme din sol, există un autocontrol al numărului şi diversităŃii. Lucrările agrotehnice şi administrarea de îngrăşăminte organice modelează şi ele microbiota solului. Aratul îmbunătăŃeşte aeraŃia solului favorizând dezvoltarea microorganismelor aerobe şi permiŃând înaintarea lor spre straturile mai profunde. De asemenea, repartizează mai uniform resturile organice. Îngrăşămintele organice introduc în un substrat nutritiv suplimentar, favorizând explozia numerică a microorganismelor organotrofe care, prin procesul de mineralizare, duc la fertilizarea solului. Aceste îngrăşăminte introduc şi un inocul suplimentar de microorganisme alohtone care participă temporar la mineralizarea substanŃelor organice. Ex. 25% din masa gunoiului de grajd este reprezentată de microorganisme.

13

In concluzie, microorganismele din sol au o importanta deosebita reflectata in:

- Procesul de mineralizare. Plantele, prin procesele de exosmoză, elimină aminoacizi şi zaharuri, care favorizează dezvoltarea microorganismelor pentru care constituie sursă de hrană. Când plantele mor, rădăcinile lor sunt descompuse de către microorganisme, iar elementele de bază: carbonul, azotul, fosforul, sulful sunt redate în circuit servind ca nutrienŃi plantelor. - Formarea humusului. Legat de acest proces de descompunere are loc şi formarea substanŃelor humice din sol, care funcŃionează şi ca rezervor pentru viitoarea activitate microorganismelor dar şi ca material de structurare a particolelor de sol. Deci nutriŃia minerală a plantelor şi fertilitatea solului sunt strâns legate de activitatea microorganismelor. Microbiota solului determină, prin activitatea ei vitală, dinamica biochimică a solului. - ImportanŃa igienico-sanitară. Microorganismele patogene şi cele potenŃial patogene de origine intestinală, având o viabilitate scăzută în sol, pot prezenta un pericol numai în cazul vehiculăriilor rapide în ape sau direct în alimente (Nicolescu, 2002).. MONITORIZAREA POLUARII SOLULUI

Solurile şi sedimentele sunt componente solide ale ecosistemelor acvatice sau terestre, care pot servi drept surse şi receptori pentru nutrienŃi şi chimicale toxice. Utilizarea solului pentru activităŃi industriale, agricole şi urbane implică întotdeauna o modificare drastică a compoziŃiei lui şi eventual, pot creea probleme foarte mari pentru utilizări viitoare.

Monitorizarea solului implică selectarea locului şi urmăreşte o serie de obiective printre care: evaluarea şi documentarea evoluŃiei sau tendinŃei de poluare pentru a permite corectarea problemelor înainte de pierderea ireversibilă a calităŃii solului (Dalea si Manea, 2002).

In Europa, programele de monitorizare a solului sunt foarte obişnuite, direcŃionate pentru inspectarea caracteristicilor şi fertilităŃii solului. Numai in puŃine Ńări există in mod organizat reŃele de monitorizare a calităŃii solului. Deşi, in multe cazuri, programele de monitorizare sunt planificate să fie realizate pe o bază continuă, cu frecvenŃa de 5 sau 10 ani, fondurile sunt deseori insuficiente pentru atingerea acestui scop.

In general, strategiile de monitorizare pentru prelevare s-au bazat pe un sistem "grătar" pe plan naŃional şi/sau câteva tipuri de stratificare bazate pe utilizarea terenului şi a tipului de sol, sau a combinaŃiei dintre cele două. Totuşi, strategiile şi sistemele de manipulare a probelor diferă in reŃele, astfel împiedicându-se posibilitatea comparării rezultatelor (Dujvenbooden, 1998, Dalea si Manea, 2002).

Impactul mediului asupra ecosistemelor terestre include schimbări ale proprietătilor

fizice şi chimice ale acestora. Vulnerabilitatea solurilor faŃă de poluanŃi depinde de caracteristicile solului, de

situaŃia hidrogeologică, de utilizarea terenului, tipul poluanŃilor şi încărcarea cu poluanŃi.

Cei mai importanŃi parametri ai solului care determină mobilitatea poluanŃilor şi, în consecintă vulnerabilitatea solului sunt:

• pH-ul, • potenŃialul redox, • capacitatea de a schimba cationi şi • conŃinutul de humus din sol (Dalea si Manea, 2002).

ProprietăŃile cheie ale solului pot servi ca indicatori ai calităŃii solului. Pentru a avea utilizare practică, indicatorii de sol trebuie:

14

• să fie sensibili la management şi • capabili să răspundă la schimbări într-un timp relativ scurt; să fie accesibili, • astfel încât metodologiile de măsurare sau datele trebuie să fie uşor

disponibile; dacă nu sunt direct măsurabili, trebuie să existe posibilitatea de a-i defini utilizând funcŃii pedo-transfer sau modele.

CARACTERISTICILE SOLULUI

Solurile prezintă interes ca mediu pentru transportul fluidelor deoarece ele sunt poroase şi permeabile.

Porozitatea se referă la spaŃiile porilor care constituie goluri între granulele solului. Permeabilitatea solului este determinată de: factori şi parametri care sunt asociaŃi

cu proprietăŃile fizice şi chimice ale solului; factori şi parametri care sunt asociaŃi cu permeantul; factori şi parametri asociaŃi cu interacŃiunile fizico-chimice care au loc în timpul permeaŃiei permeantului.

Permeabilitatea solului dă informaŃii necesare determinării şi evaluării transportului contaminantului prin sol. Permeabilitatea solului la mişcarea unui anumit fluid depinde de asemenea de fracŃiunea spaŃiului porilor umplut de acel fluid. Dacă spaŃiul porilor este saturat, permeabilitatea mediului este la maxim. Dacă fluidul umple numai o porŃiune din spaŃiul porilor, de exemplu numai cea din straturile superioare ale solului, permeabilitatea solului scade şi devine importantă umiditatea.

Umiditatea este caracteristica unor anumite fluide de a adera la granulele solului şi influenŃează semnificativ mobilitatea şi retenŃia fluidului în mediu. Lângă suprafaŃă, spaŃiile porilor celor mai multor soluri sunt umplute atât cu apă cât şi cu aer. Aceasta este zona nesaturată a solului. Datorită faptului că apa tinde să umezească cele mai multe soluri, totuşi, o cantitate de apă este reŃinută. Cantitatea de apă care rămâne, în mod tipic, măsurată pe baza volumului de apă per volumul total de sol, este denumită capacitatea de câmp a solului. Deseori, sub această zonă există acviferul, în care spaŃiile porilor sunt saturate, sau umplute cu apă. COMPONENTELE SOLULUI

În general, solurile se caracterizeaza prin patru componente: • substanŃa anorganică, • substanta organică, • apa solului, • atmosfera solului.

Substanta anorganică din sol Solide ionice - ionii metalelor: Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rb,

Sr, Zr, Ag, Cd, Cs, Ba, Hg, Pb. Elemente în urme - este unul dintre cele mai importante aspecte ale variabilităŃii

compoziŃiei părŃii minerale a solului. Cele mai importante elemente în urme sunt: B, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Mo, Cd, Pb, care se găsesc în partea minerală primară şi secundară a solului.

SilicaŃi primari - apar în soluri prin degradarea fizică a materialului de rocă parentală. Degradarea chimică a silicaŃilor primari contribuie la fertilitatea nativă şi conŃinutul de electrolit din sol.

Minerale argiloase - sunt aluminosilicaŃii care predomină în fracŃiunile argiloase la intermedierea fazelor avansate de degradare.

15

Oxizi şi hidroxizi - din cauza abundenŃei lor mari în litosferă şi a solubilităŃilor mici la valori ale pH-ului solului cuprinse in domeniu de pH normal, aluminiul, fierul şi manganul formează cele mai importante minerale oxidice, oxihidroxidice şi hidroxidice în soluri.

CarbonaŃi şi sulfaŃi - Dintre aceste minerale gipsul şi calcitul se pot dizolva şi reprecipita într-un profil de sol străbătut de apa de ploaie şi apa de irigaŃii şi se poate găsi ca un inveliş pe mineralele solului, incluzând calcitul. SulfaŃii şi carbonaŃii de sodiu se formează la partea superioară a profilului solului, uscându-se prin evaporare.

SubstanŃa organică din sol

Biomoleculele - solurile sunt medii biologice în care există o varietate de microorganisme. Zece grame de sol fertil poate conŃine o populaŃie, numai de bacterii, egală cu populaŃia de fiinŃe umane a globului. Un kilogram de sol poate contine 500 bilioane bacterii, 10 bilioane actinomicetes şi aproape un bilion de fungi. La această biomasă microbiană poate fi adăugată contribuŃia rădăcinilor plantelor. Microorganismele solului joacă un rol esenŃial în cataliza reacŃiilor de oxido-reducere. Exudatele eliberate de microorganisme şi rădăcinile plantelor sănătoase prezintă importanŃă pentru aciditatea solului şi contribuie la ciclul elementelor în urme în sol.

SubstanŃele organice : Acizii organici alifatici comuni sunt: acidul formic, acidul acetic, acidul oxalic, acidul

tartric, acidul citric. Aminoacizii din soluri, ca: glicina, alanina, acidul aspartic, acidul glutamic pot

reacŃiona formând peptide, care la rândul lor, se pot transforma în proteine (polimeri). O altă clasă importantă de biopolimeri în soluri este clasa carbohidratilor. Fenolii, cu

derivaŃii lor din soluri prin polimerizare formează lignina care, împreună cu celuloza, este un precursor important al substanŃelor humice din sol.

Humusul - totalitatea substanŃelor organice din sol, exceptând materialele identificabile ca biomasă parŃial modificată sau nemodificată (părŃi din plante şi microorganisme), este numită humus.

Humusul joacă un rol semnificativ în formarea agregatelor, în controlul acidităŃii solului, în ciclurile elementelor nutritive şi în detoxifierea compuşilor periculoşi.

Procesele biochimice de formare a humusului sunt: • descompunerea componenŃilor biomasei, incluzând lignină, in compuşi organici

simpli; • metabolismul microbian al compuşilor simpli; • ciclul C, H, N şi O între substanŃa organică din sol şi biomasa microbiană; • polimerizarea mediată microbian a compuşilor organici din ciclu.

Materialul organic conŃine două părŃi: 1. precipitatul (acidul humic) care se formează după ce solul este amestecat cu NaOH

(500 mol / m3), adus la pH = 1 cu HCl concentrat, şi 2. materialul organic solubil (acidul fulvic). SubstanŃa organică joacă un rol important în tamponarea atât a protonilor cât şi a

cationilor metalici din soluŃia solului. Fenomenul de tamponare se realizează prin schimb cationic. Capacitatea de schimb cationic a humusului din sol este numărul maxim de moli de protoni disociabili din unitatea de masă a humusului în condiŃiile date de temperatură, presiune, compoziŃia soluŃiei de sol şi a concentraŃiei humusului.

Apa solului. Apa solului este considerată apa care este cedată dintr-o probă

de sol prin menŃinerea acesteia la temperatura de 105°C cel putin 24 ore. Apa care este legată în structura mineralelor din sol (apa de cristalizare) nu este cedată în aceste condiŃii şi nu este

16

considerată apa solului. De asemenea, se face distincŃie între apa solului şi apa de adâncime, a doua fiind apa care se găseşte sub masa de sol. Apa solului este găsită în principal ca şi fază condensată în sol, deşi conŃinutul de vapori de apă în sol poate fi de 30 ml/l într-un sol umed. Apa solului este un depozit pentru gazele şi solidele dizolvate şi din acest motiv se consideră soluŃia solului. Solidele dizolvate care disociază în ioni (electroliŃi) în soluŃia solului sunt cei mai importanti pentru chimia solului. Elementele chimice ai căror ioni se află în soluŃiile necontaminate ale solului sub 1 mmol/m3 sunt denumite microelemente şi toate celelalte sunt macroelemente.

Atmosfera solului. Aerul care există în sol este în continuă schimbare cu atmosfera de deasupra lui. CompoziŃia aerul solului este de acelaşi tip cu cea a aerului atmosferic (78% N2, 21% O2, 1% Ar, 0,03% CO2), dar, din cauza activităŃii biologice din sol, cuplată cu viteza mică de schimb, compoziŃia procentuală a aerului solului poate diferi considerabil de cea a aerului atmosferic. De exemplu, faŃă de aerul atmosferic, conŃinutul de oxigen din aerul solului este mai mic pe când cel al dioxidului de carbon este mai mare. In condiŃii anaerobe (conŃinut mic de oxigen), activitatea microorganismelor poate produce cantităŃi importante de NO, N2O, NH3, CH4 şi H2S. Dizolvarea gazelor din aerul solului în soluŃia de sol este un proces important contribuind la ciclul elementelor chimice în mediul solului. DEGRADAREA SOLULUI Problemele legate de degradarea solului au prioritate ridicată; recent admisă de AgenŃia Europeană de Mediu (EEA, 1998).

Caracteristicile fizice ale solului pot fi afectate de diferite practici de management al solului: irigaŃii, canalizări, asanări, conducând la degradare.

Solul se degradează prin eroziune, deşertificare (aparitia deşertului) şi salinizare. Eroziunea. Când se îndepărtează biomasa multor plante eroziunea solului se

accentuează. Ca o consecinŃă a eroziunii crescute a solului, nu există destulă substanŃă organică care să pătrundă in sol pentru a menŃine o producŃie susŃinută a plantelor şi vegetaŃia începe să se degradeze.

Expresia "deşertificare" nu a fost folosită în mod critic şi cu definiŃie. Dezbaterea făcută pentru determinarea cauzelor deşertificării, şi anume efectele creşterii demografice sau a schimbărilor meteorologice este veche. Nu există înregistrări de date pe durată suficientă pentru a face distincŃie între fluctuaŃiile temporare, schimbări climatice sau nu şi modificări de lungă durată ale climei. Distrugerea vegetaŃiei, poate afecta condiŃiile climatice. Pe scară globală, ca rezultat al efectului de seră, a început încălzirea climei

Salinizarea este o cauză majoră a distrugerii fertilităŃii solului şi se reflectă într-o deteriorare accentuată a stocurilor de nutrienŃi. Salinizarea solului are mari repercursiuni economice şi sociale şi are un impact sever asupra nivelului de trai al populaŃiilor din zonele aride; cauzele salinizării sunt atât naturale cât şi antropogene.

PrecondiŃiile cele mai importante pentru apariŃia solurilor salinizate sunt în mineralizarea apei subterane, aproape de suprafaŃă. Prin evaporarea umidităŃii capilare a straturilor superioare ale solului, acesta devine succesiv mai salinizat. Un factor antropogen care contribuie la salinizare îl reprezintă practicile de irigaŃii diferite. Salinizarea antropogenă a solurilor distrugând fertilitatea lor este deseori rezultatul utilizării sărace a resurselor de pământ şi apă. COMPACTAREA SOLULUI

Compactarea (tasarea) solului este un proces care are consecinŃe pentru utilizarea lui. Porii solului sunt comprimaŃi prin traficul stradal, prin mişcarea utilajelor grele pe solul

17

cultivat. Prin compactarea solului, furnizarea oxigenului şi a apei este diminuată şi sunt favorizate reacŃiile de reducere ale: NO3

-, SO42-, CO2, H

+, Mn(IV), Mn(III), Fe(III). În mod normal, manganul există în sol sub forma MnO2. În condiŃii reducătoare se transformă în Mn2+, proces descris de ecuaŃia:

MnO2 + 4 H+ + e- ↔ Mn2+ + 2 H2O. Manganul este unul din elementele esenŃiale vieŃii, dar în

concentraŃii mari manganul este toxic. Compuşii Fe3+ se pot transforma în Fe2+ la valori obişnuite de pH, conform reacŃiei

redată de ecuaŃia: Fe(OH)3 + 3 H+ + e- → Fe2+ + 3 H2O. Când cantitatea de fier disponibilă

creşte considerabil, în condiŃii anaerobe, se poate manifesta toxicitatea fierului, fenomen care este întâlnit frecvent în orezării. Procesele de reducere demonstrează că fertilitatea solului scade în condiŃii anaerobe. ACIDIFIEREA SOLULUI

Acidifierea naturală a solului poate avea loc în timpul creşterii vegetaŃiei când plantele şi copacii, în procesul metabolic, formează compuşi cu caracter acid pentru a compensa consumul de nutrienŃi. În timpul descompunerii, ionii de hidrogen sunt folosiŃi şi valorile pH-ului încep să crească din nou.

Acidifierea artificială a solului poate avea loc ca o consecinŃă a practicilor forestiere şi de agricultură modernă, bazate pe retragerea recoltei şi replantarea imediată. În asemenea situaŃii, nu există timp suficient pentru refacerea solului, în termenii neutralizării pH-ului şi se produce o acidifiere graduală a solului.

In fiecare an, solurile primesc cantităŃi mari de deşeuri. Multe emisii de SOx şi NOx, ajung în sol ca acid sulfuric, respectiv, acid azotic. Creşterea graduală de azot, sub formă de acid azotic, ca depunere umedă poate avea efecte de fertilizare, stimulând creşterea vegetaŃei şi a copacilor. Totuşi, o supraîncărcare cu azot poate duce la saturarea cu azot a solului, când azotiŃii pot începe să percoleze în apele de adâncime şi de suprafaŃă.

Un alt efect al depunerii acide şi ulterior încărcării crescute de nutrienŃi, a materialelor organice şi elementelor în urme este eutrofizarea accelerată a cursurilor de apă, a lacurilor etc.

Acidifierea solurilor conduce la schimbări în proprietăŃile chimice ale acestuia. O caracteristică tipică este pierderea nutrienŃilor cationici, ca potasiu, calciu şi magneziu, când poate fi observată o scădere semnificativă a pH-ului solului.

În timpul acidifierii, există de asemenea un risc crescut pentru mobilizarea humusului şi a metalelor grele.

La valori scăzute ale pH-ului, viteza de eliberare a cadmiului şi a manganului creşte considerabil, determinând migrarea lor în apa de adâncime, prezenŃa lor constituind un potenŃial pericol pentru acvifer, în special pentru furnizarea de apă potabilă.

CantităŃile mari de aluminiu toxic nu sunt eliberate in mod egal în toate solurile în procesul de acidifiere, deoarece nu toate solurile conŃin aceeaşi cantitate de minerale cu conŃinut de aluminiu. Cănd solurile sunt foarte acide, aluminiul este în concentraŃii foarte mari datorită echilibrului de adsorbŃie dintre speciile Al3+ şi suprafeŃele rădăcinilor încărcate negativ (Stumm, 1985).

Valorile pH-ului au şi alte consecinŃe pentru sol. Valori mici ale pH-ului inhibă dezvoltarea microorganismelor, fungii fiind printre organismele păgubite ale solului; ele sunt asociate cu rădăcinile plantelor şi le susŃin pe acestea în procesul de captare de minerale. Distrugerea microorganismelor scade capacitatea solului de a respira. METALE GRELE IN SOL

O posibilă poluare a solului cu metale grele poate fi determinată de infiltraŃiile apelor provenite din furtuni puternic contaminate. InvestigaŃii făcute timp de câteva decade, pentru un sistem de infiltraŃii de suprafaŃă pe un studiu de câmp care a receptat apă de ploaie de pe

18

străzi cu trafic mare a arătat o creştere semnificativă a concentraŃiilor Cu, Zn, Cd şi Pb în straturile solului (Mikkelsen şi colab., 1997, Dalea si Manea, 2002).

ConŃinutul excesiv de elemente toxice în mediu este asociat cu etiologia unui număr mare de boli. Decontaminarea solurilor de poluanŃi priveşte principalele Ńări industrializate.

Metalele grele şi compuşii lor reprezintă problema principală pentru caracterizarea poluării solului din punct de vedere al mediului înconjurător.

Primul mod de abordare pentru evaluarea poluării este • determinarea concentraŃiei totale de metale; • evaluarea biodisponibilităŃii lor este necesară pentru a avea cunoştinŃe corecte

în ceea ce priveşte evaluarea riscului (Gagliano-Candela, 2000; Guardia, 1998; Dalea si Manea, 2002).

Parametrii solului care influenŃează mobilitatea metalelor grele sunt. • potenŃialul redox, pH-ul, capacitatea de schimb cationic.

Aceşti parametri determină solubilitatea şi capacitatea de adsorbŃie a solurilor. Solul este caracterizat prin

• concentraŃia în metale grele (care depinde de tipul solului şi de compaziŃia lui) şi prin

• contaminarea solului cu aceste metale, furnizate de activitatea umană. Plumbul prezintă o tendinŃă pronunŃată pentru acumulare în sol din cauza mobilităŃii

minime chiar la valori scăzute ale pH-ului. • In solul cu conŃinut de fosfat, plumbul formează depuneri greu

solubile de fosfaŃi de plumb (Pb3(PO4)2, Pb4O(PO4)2, Pb5(PO4)3OH). • În solurile cu conŃinut de carbonat se formează carbonatul de

plumb (PbCO3). În condiŃii de reducere se formează sulfura de plumb (PbS). • Nivele ridicate ale poluării cu plumb se semnalează în vecinătatea

zonelor industriale şi a incineratoarelor de deşeuri, de unde se elimină pulberi în suspensie. Deoarece plantele sunt mai rezistente la plumb decât oamenii, trebuie să se evite contaminarea alimentelor din zonele prea puternic poluate cu plumb.

ConcentraŃiile cadmiului depind de originea geologică a materialului din sol, de textura acestuia, de intensitatea proceselor de degradare, de substanŃa organică şi de alŃi factori.

Acumularea cadmiului în sol se datorează parŃial activităŃilor industriale şi poate fi explicată prin compoziŃia şi originea geologică a materialului rocilor.

Cadmiul intră în sol în cantităŃi mai mici decât plumbul şi poate ajunge în sol prin aer. El poate proveni din gazele de incinerare şi din fertilizatori pe bază de fosfat.

• În soluri acide cu pH < 6, Cd este foarte mobil şi nu se acumulează. • Compuşii Cd cu acizii humici sunt puŃin stabili. • În mediu reducător şi în prezenŃa ionului sulfat se formează CdS.

Cuprul este mai mobil decât Cd şi solubilitatea lui creşte la pH < 5. Deşi Cu se numără printre elementele în urme necesare vieŃii, în cazul

• Plantelor, la cantităŃi de 20 mg/kg material uscat se produc efecte toxice. • Ionii de cupru sunt toxici pentru microorganisme în concentraŃii de aproximativ 0,1

mg/l. Zincul este unul dintre metalele cele mai mobile din sol. Solubilitatea zincului în sol creşte în special la pH < 6. La pH mai mare şi în prezenŃa

fosfaŃilor, zincul alocat plantelor poate fi redus semnificativ. Procesul dependent de pH al adsorbŃiei pe argilă şi pe diferiŃi oxizi constituie cel mai semnificativ proces regulator pentru disponibilitatea Zn in soluri. În ceea ce priveşte riscul asupra mediului şi asupra lanŃului trofic cauzat de zinc rămâne o întrebare deschisă deoarece deficienŃa zincului în

19

dietă poate fi o problemă. Mai mult, se pare că zincul joacă un rol important în controlul fixării cadmiului în solurile contaminate cu Cd, când raportul Zn : Cd este mai mare de 100.

În procesul de monitorizare a calităŃii solului, determinarea calitativă şi cantitativă a poluanŃilor se realizează prin tehnici instrumentale, printre care: - spectrometria de masă; - spectrometria de absorbŃie atomică; - voltametria de redizolvare (stipping) (Guardia, 1998, Dalea si Manea, 2002).

S-a dedus că reŃelele neurale pot fi considerate ca instrument pentru prezicerea analizei spaŃiale a proceselor care controlează transferul metalelor cu sistemul sol-plantă. Calculul neural poate suporta procese de luare de decizii la diferite nivele, pentru îmbunătătirea managementului recoltei bazat pe date de monitorizare şi evaluarea riscului de transfer a metalelor din sol la plante (Dalea si Manea, 2002). 1. BIOREMEDIEREA – DEFINIłIE

Bioremedierea este înŃeleasă, după definiŃia generală, ca fiind utilizarea organismelor vii (microorganisme, plante etc.) pentru a ameliora şi restaura starea ecologică a unui substrat poluat sau degradat (zonă, teren, acvifer etc.) la parametrii de calitate mai buni, favorabili vieŃii, nedăunători, nepoluanŃi sau pentru a reveni, a-l readuce la starea de mai înainte.

Bioremedierea este o tehnologie modernă de tratare a poluanŃilor care utilizează factori biologici (microorganisme) pentru transformarea anumitor substanŃe chimice în forme finale mai puŃin nocive/periculoase, în mod ideal, la CO2 şi H2O, care sunt netoxice şi sunt eliberate în mediu fără a modifica substanŃial echilibrul ecosistemelor. Bioremedierea se bazează pe capacitatea unor compuşi chimici de a fi biodegradaŃi. Conceptul de biodegradare este acceptat ca o însumare a proceselor de descompunere a unor constituenŃi naturali sau sintetici, prin activarea unor tulpi de microorganisme specializate având drept rezultat produşi finali utili sau acceptabili din punct de vedere al impactului asupra mediului (Pamfil, 2011). Exemplu de bioremediere: tratarea biologică a apelor reziduale, a apelor de canalizare prin utilizarea organismelor vii pentru a le readuce la situaŃia originală.

În ultimele decenii, termenul bioremediere este utilizat într-un mod mai specific, ce se reflectă prin cele două definiŃii specifice:

•••• Utilizarea de organisme vii pentru a degrada poluanŃii mediului, pentru a preveni poluarea sau în procesul de tratare a deşeurilor (Atlas,1995);

•••• Aplicarea tratamentelor biologice pentru curăŃirea, decontaminarea şi degradarea substanŃelor periculoase (Cookson, 1995, citat de Ball, 2002).

2. AVANTAJELE BIOREMEDIERII SoluŃionarea pe cale biotehnologică a problemelor de poluare, prin metodele de bioremediere, are avantajul că:

Procedeele biotehnologice de tratare a efluenŃilor toxici intră în competiŃie cu metodele existente sub aspectul eficacitaŃii şi eficienei economice. Metodele biotehnologice de tratare a deşeurilor toxice au rolul de a înlocui metodelor actuale de

• necesită un nivel moderat de capital de investiŃie, • prezintă siguranŃă pentru mediu, • nu genereaza deşeuri şi • sunt autosustenabile.

20

depozitare şi detoxificare a noilor compuşi xenobiotici (realizaŃi de om). Este important însă să se limiteze generarea de deşeuri periculoase şi nepericuloase, precum şi să se utilizeze metodele de reciclare.

Alte avantaje ale bioremedierii faŃă de alte tehnologii (Cookson 1995, citat de Ball, 2002) • Poate fi realizată pe sit („on site") • Eliminare permanentă a deşeurilor (limitarea problemelor de conformare) • Pozitivă din punct de vedere al acceptării publice • Perturbare minimă a sitului • Elimină costurile de transport şi pentru conformare • Poate fi combinată cu alte tehnologii de tratare

Bioremedierea oferă, în multe cazuri, o soluŃionare permanentă a problemei, şi este eficientă din punct de vedere al costurilor.

ComparaŃie intre costurile de bioremediere şi costurile metodelor

tradiŃionale utilizate in mod obişnuit pentru îndepărtarea poluanŃilor (costurile sunt in USD/yard cubic) (Cookson, 1995, citat de Ball, 2002)

Metoda Anul I Anul II Anul III Incinerare 530 Nu Nu Solidificare 115 Nu Nu Ingropare 670 Nu Nu DesorbŃie

termică 200 Nu Nu

Bioremediere 175 27 20 1 yd³ = 0.76455m³

Bioremedierea ajută la reducerea costurilor pentru tratare prin:

1. Tratarea contaminării pe loc. 2. Profitarea de procese naturale. 3. Reducerea perturbării mediului.

1. Tratarea contaminării pe loc. Cea mai mare parte a costului este asociată cu tehnologiile traditionale de curăŃire legate de îndepărtarea fizică şi depozitarea solurilor contaminate. Întrucât bioremedierea poate fi realizată pe loc („in situ") prin adăugarea de nutrienŃi la solurile contaminate, aceasta nu determină costuri de îndepărtare - depozitare. 2. Profitarea de procese naturale. La unele situri, procesele microbiene naturale pot îndepărta contaminantii prezenŃi, chiar fară intervenŃia omului. În astfel de cazuri unde bioremedierea (atenuarea naturală a poluării) este adecvată, se pot realiza reduceri substantiale ale costurilor. 3.Reducerea perturbării mediului. Bioremedierea reduce la minimum perturbarea sitului comparativ cu tehnologiile conventionale, costurile pentru post-tratare putând fi substanŃial diminuate.

• Bioremedierea este in general mai eficientă din punct de vedere al costurilor decât cele două metode care sunt larg utilizate, respectiv îngroparea sau incinerarea (Ball, 2002).

21

3. TEHNOLOGII IMPLICATE IN BIOREMEDIERE. BIODEGRADAREA. BIOSTIMULAREA. BIOAMPLIFICARE. BIORESTAURARE

O serie de termeni specifici sunt utilizaŃi pentru a descrie activitatea microorganismelor şi căile prin care ele sunt utilizate în bioremediere:

Biodegradarea este ruperea sau fragmentarea unui compus sau a unei substanŃe realizată de către organisme vii, bacterii sau fungi, care pot fi indigene în zona respectivă sau pot fi introduse.

Biostimularea este metoda prin care populaŃiile de microorganisme, naturale sau introduse, sunt îmbunătăŃite prin adaosuri de nutrienŃi, inginerie sau alte lucrări de pregătire a unei zone. Aceasta măreşte viteza proceselor naturale de remediere.

Bioamplificare (bioaugmentation) este metoda prin care sunt adăugate organisme vii specifice pe un sit sau pe un material pentru a realiza un anumit efect de bioremediere dorit.

Biorestaurare este restaurarea stării originale sau a unei stări apropiate de cea originală prin utilizarea de microorganisme vii.

Tehnologiile de bioremediere se pot aplica pe loc („in situ") sau „ex situ„ (prin transportarea substratului poluat la instalaŃii speciale de tratare).

Tehnologia utilizată pentru tratarea unui sit poluat este dependentă de sit şi de poluant. Fiecare tratament de bioremediere este specific în functie de sit. Diferitele tratamente de bioremediere „in situ"se leagă de un număr de tehnologii:

Bioremedierea in situ (ISB) Bioremedierea in situ accelerată Atenuarea naturală monitorizată

BIOREMEDIEREA IN SITU (ISB) este utilizarea de microorganisme pentru a degrada contaminanŃii pe loc („in situ") în scopul producerii unor compuşi finali nepericuloşi.

• Bioremedierea „in situ" este aplicată pentru degradarea contaminanŃilor în soluri, în zonele nesaturate şi saturate, în apele subterane.

• Tehnologia a fost dezvoltată ca find mai puŃin costisitoare, mai eficientă faŃă de metodele standard de pompare şi tratare utilizate pentru depoluarea acviferelor şi a solurilor contaminate cu solvenŃi cloruralŃi, hidrocarburi petroliere, explozibili, nitraŃi şi metale toxice.

• Bioremedierea in situ are avantaje cum ar fi : • distrugerea completă a contaminanŃilor, • riscuri mai mici pentru muncitorii de pe sit • costuri mai scăzute pentru instalaŃii şi operare.

Bioremedierea in situ poate fi clasificată în functie de metabolism sau în funcŃie de gradul de intervenŃie umană. Cele două tipuri de metabolism sunt metabolismul aerob şi metabolismul anaerob. Tipul de metabolism pentru un anumit sistem ISB va fi stabilit ca Ńintă în funcŃie de tipul de contaminanŃi care trebuiesc distruşi.

• Unii contaminanŃi sunt degradaŃi pe cale aerobă, (de exemplu hidrocarburile petroliere) • alŃii pe cale anaerobă (de exemplu, tetraclorura de carbon), • în timp ce alŃi contaminanŃi pot fi biodegradaŃi atât pe cale aerobă, cât şi pe

cale anaerobă (de exemplu, tricloretena). Bioremedierea in situ accelerată

• se face prin adăugarea de substrat sau nutrienŃi la un acvifer pentru a stimula creşterea unui consorŃiu de bacterii. Bacteriile Ńintă sunt indigene, însă se pot

22

introduce în acvifer şi culturi îmbogăŃite de bacterii (din alte situri) care sunt deosebit de eficiente în degradarea unui anumit contaminant (bioamplificare).

• Bioremedierea „in situ" accelerată este utilizată acolo unde se doreşte o creştere a vitezei de biotransformare a contaminantului, viteza putând fi limitată de lipsa nutrienŃilor necesari, de lipsa donorilor sau acceptorilor de electroni.

• Tipul de amendament necesar depinde de metabolismul Ńintă şi de contaminantul urmărit. Bioremedierea „in situ" aerobă poate să necesite doar un adaos de oxigen (acceptor de electroni), pe când cea anaerobă poate să necesite atât adaosul de donori de electroni (ex. lactat, benzoat), cât şi de acceptori de electroni (ex. nitrat, sulfat). In special solventii cloruraŃi necesită adesea adaos de substrat de carbon pentru a stimula declorurarea reducătoare.

• Scopul urmărit in tehnologia de bioremediere „in situ" accelerată este de a creşte cantitatea de biomasă in interiorul acviferului contaminat şi, prin aceasta, obŃinerea unei biodegradări eficiente a contaminantului dizolvat si absorbit.

ATENUAREA NATURALĂ MONITORIZATĂ • Atenuarea naturală monitorizată (bioremedierea intrinsecă) este o altă metodă

de aplicare a bioremedierii “in situ”. O componentă a atenuării naturale este utilizarea microorganismelor indigene pentru a degrada contaminanŃii implicatŃi, fară intervenŃia omului (fară adaosuri de nutrienŃi).

• Implementarea atenuării naturale presupune o bună cunoaştere a sitului si o monitorizare pe termen lung.

• Cunoaşterea sitului implică o caracterizare privind extinderea poluării şi caracteristicile acviferului. Aceste informaŃii pot fi apoi utilizate pentru a elabora un model predictiv de transport pentru prevedea pericolul poluării şi când contaminanŃii vor afecta receptorii vizaŃi.

• Monitorizarea pe termen lung este utilizată pentru a evalua pericolul şi transportul contaminanŃilor in comparatie cu cele previzionate. Modelul de transport poate fi apoi redefinit pentru a obtine predictii mai bune.

Procesele de atenuare naturala a poluarii se desfăşoară în mod normal pe toate siturile însă gradul de eficientă al acestora este diferit si depinde de tipurile şi concentratiile de contaminanŃi prezenti şi de caracteristicile fizice, chimice si biologice ale solului şi ale apei subterane. Procesele de atenuare naturală pot reduce riscul potenŃial pe care-l reprezintă contaminanŃii sitului, această diminuare a riscului realizându-se prin următoarele trei căi:

1 . C o n ta mi n a n t ul p o a te f i c o n ve r t i t i n tr -o fo r ma l i ps i t ă de to x ic i ta t e pr i n pro c e se d i s tr uc t i ve : b i o deg r a dar e a s a u t r a n s for mă r i a b i o t i c e .

2 . N i ve le l e de e x p u n er e p o te nt i a l ă p o t f i re d use p r i n s că der e a co nce n tr a Ń i i l or ( ca ur ma re a pr oc e se l or d i s tr uc t i ve s a u p r i n d i l uŃ ie ş i d i s pe rs i e ) .

3 . M o bi l i t a te a ş i b i o di s po n i b i l i ta te a c o n ta mi n a n tu lu i p o t f i re d use pr i n s or bŃ i e pe p ar t i c u le l e de so l sa u de r oc ă .

Utilizarea pentru un anumit sit a bioremedierii ”in situ” accelerate sau a

atenuării naturale va depinde de însuşirile acviferului, de concentraŃiile contaminantilor chimici, de scopul proiectului de remediere şi de aspectele economice ale fiecărei opŃiuni.

23

Viteza de degradare a contaminantului este, mai mică în cazul atenuării naturale decât la bioremedierea activă din cauza concentratiei de bacterii care este mult mai mare în bioremedierea accelerată, iar viteza de biodegradare este proportională cu cantitatea de biomasă. Astfel, atenuarea naturală necesită, de regulă, o perioadă lungă de timp pentru a deveni completă. Bioremedierea “in situ” accelerată este, de regulă, o solutie mai rapidă dar necesită investiŃii mai mari in materiale, echipamente şi manoperă (Ball, 2002). Avantajele bioremedierii in situ • Contaminantii pot fi complet transformati in substante total inofensive (ex. apă, dioxid de carbon, etan). • Bioremedierea „in situ" accelerată poate realiza o tratare volumetrică, prin care se tratează atât partea dizolvată cât şi cea sorbită a contaminantului. • Durata necesară pentru tratarea prin bioremediere „in situ" a poluării situată sub suprafata solului poate să fie adesea, mai rapidă decât dacă se utilizează tehnologiile de pompare-tratare. • Bioremedierea „in situ" costă adesea mai puŃin decât alte optiuni de remediere.

• Aria zonei de tratare la utilizarea bioremedierii poate fi mai mare decât in cazul utilizării altor tehnologii de remediere, întrucât tratarea urmează mişcarea acviferului şi poate atinge zone care, altfel, ar rămâne inaccesibile.

Limitări ale bioremedierii „in situ" • In funcŃie de particularitatea sitului, unii contaminanti ar putea să nu fie complet transformaŃi in compuşi inofensivi. • Dacă in procesul de biotransformare se formează produşi intermediari, aceştia ar putea fi uneori mai toxici sau mai mobili decât compusul parental. • Unii contaminanti nu pot fi biodegradati (prezintă recalcitranŃă la biodegradare).

• Dacă este aplicată în mod inadecvat, sondele de injectie se pot colmata ca urmare a creşterii microbiene intense datorită adaosurilor de nutrienti, donori sau/şi acceptori de electroni. • Bioremedierea „in situ" accelerată este dificil de aplicat în acviferele cu permeabilitate scăzută întrucât transportul nutrientilor este limitat. • Metalele grele şi concentratiile toxice de compuşi organici pot inhiba activitatea microorganismelor indigene.

Bioremedierea „in situ" necesită, in mod normal, o populaŃie de microorganisme aclimatizate, care nu pot fi dezvoltate pentru deşeurile recente sau pentru compuşii recalcitranŃi.

Avantaje ale atenuării naturale monitorizate: • generarea unui volum mai mic de deşeuri, diminuarea potentialului de transfer prin mediu a contaminantilor asociati, in mod normal, de tratamentele „ex situ" şi un risc diminuat pentru expunerea fiintelor umane la mediul contaminat. • Perturbare mai mica întrucât necesită putine instalatii de suprafată. • Posibilitate de aplicare pe întregul sit sau numai pe o parte a acestuia, in funcŃie de condiŃiile sitului şi de obiectivele de decontaminare. • Poate fi utilizată in combinatie cu alte măsuri de remediere (activă), sau în completarea acestora. • Costuri de remediere mai scăzute decât cele legate de remedierea activă.

Dezavantaje ale atenuării naturale monitorizate • Poate necesita o perioadă mai lungă de timp pentru realizarea obiectivelor de remediere, in comparatie cu remedierea activă. • Studierea şi caracterizarea sitului poate fi mai complexă şi mai costisitoare.

24

• Toxicitatea produşilor de transformare poate fi mai mare decât a compusului parental. • In general, va fi necesară o perioadă lungă de monitorizare. • Poate fi necesară asigurarea unui control institutionalizat pentru protectia pe termen lung. • Există posibilitatea unei migrari continue a contaminantului şi a transferului său prin mediu. • Conditiile hidrologice şi geochimice care fac posibilă atenuarea naturală, se pot modifica in timp, ceea ce ar putea produce o remobilizare a contaminantilor stabilizati anterior, cu impact negativ asupra eficacităŃii remedierii. • Sunt necesare eforturi mai mari in educatia şi pregătirea publicului pentru a câştiga acceptarea acestuia pentru atenuarea naturală monitorizată (Ball, 2002).

4. APLICAREA BIOREMEDIERII

Expansiunea rapidă şi complexitatea crescândă a industriei chimice din secolul trecut şi, în special în ultimii treizeci de ani, a avut ca rezultat o cantitate crescândă şi o complexitate tot mai mare a deşeurilor toxice efluente. În acelaşi timp, din fericire, autorităŃile în reglementare au acordat o atentie mai mare problemelor de poluare a mediului.

Companiile industriale au devenit mai atente la presiunea reglementărilor politice, sociale şi de mediu pentru a preveni deversarea efluenŃilor în mediul înconjurător. ImplicaŃiile incidentelor majore de poluare (ca de exemplu pata de petrol Exxon Valdez, dezastrul de la Union-Carbide (Dow) Rhopal, poluarea pe scară largă a fluviului Rin, deteriorarea progresivă a habitatelor acvatice şi a pădurilor de conifere din nord-estul SUA, Canada şi o parte din Europa sau scăpările de materiale radioactive în accidentul de la Cernobîl etc.) şi publicitatea masivă pe tema problemelor de mediu care au urmat acestora au scos puternic în lumină şi au adus în conştiinta publică potentialele rezultate pe termen lung ale dezastrelor.

Chiar admitând că politicile de mediu vor face eforturi continue în directia aplicării presiunilor asupra industriei pentru a reduce producŃia de deşeuri toxice, bioremedierea prezintă oportunităŃi pentru detoxificarea unui domeniu întreg de efluenŃi industriali

Bacteriile pot fi adaptate sau modificate pentru a produce anumite enzime care metabolizează componentele deşeurilor industriale care sunt toxice pentru alte vietuitoare şi de asemenea, se pot elabora noi căi de biodegradare a diferitelor deşeuri.

Dacă managementul deşeurilor însuşi este o industrie de sine stătătoare bine definită, genetica şi enzimologia pot foarte bine să o desăvârşească prin experienŃa de inginerie existentă în aceste domenii (Ball, 2002).

• Astfel se poate concluziona că bioremedierea se poate aplica la un domeniu larg de deşeuri chimice.

5. BIOREMEDIEREA HIDROCARBURILOR CLORURATE Hidrocarburile clorurate reprezintă unul din grupele cele mai comune de compuşi

care necesită tehnologii de bioremediere. Hidrocarburile clorurate pot fi supuse biotransformării prin trei mecanisme:

1.utilizarea compusului clorurat in calitate de acceptor de electron, 2.utilizarea compusului clorurat in calitate de donor de electron, sau 3.prin cometabolism (reacŃii care nu produc beneficiu microorganismelor). Pe un sit dat se pot realiza unul sau mai multe dintre aceste mecanisme.

1. ReacŃii ca acceptor de electron Utilizarea compuşilor clorurati ca acceptori de electroni a fost demonstrată

25

• în condiŃii nitrat - şi fier- reducătoare sau • în condiŃii sulfat - reducătoare şi metanogene (cu cele mai mari viteze de

biodegradare care afectează domeniul hidrocarburilor alifatice clorurate. Această modalitate de biotransformare

• realizează dehalogenearea reductivă şi • necesită o sursă adecvată de carbon (donor de electron) pentru creşterea

microbiană. Carbonul donor de electron poate proveni o din materia organică naturală, o din surse antropogene (de ex. contaminarea însoŃitoare cu hidrocarburi

petroliere), sau o din introducerea intenŃionată de carbon organic in interiorul

acviferului (de ex. la bioremedierea “in situ" accelerată) (Ball, 2002).

2. ReacŃii ca donor de electron În această situaŃie sursa, hidrocarbura clorurată este utilizată în calitate de substrat primar (donor de electron) şi microorganismul obŃine energia şi carbonul organic din această hidrocarbură clorurată.

• Aceasta se poate realiza in condiŃii aerobe şi în anumite condiŃii anaerobe. • Compuşii cloruraŃi mai puŃin oxidaŃi (ex. clorura de vinil-PVC, DCE, sau 1,2-

dicloretan) sunt mai favorabili pentru a se supune acestui mod de biotransformare. • Este de notat că hidrocarburile petroliere sunt biodegradate pe această cale

deoarece ele pot fi utilizate in calitate de sursă organică de carbon (Ball, 2002).

Notă: Terminologia donor/acceptor de electron dă o descriere mai explicită, decăt termenii „dehalogenare reducătoare", „declorurare directă" şi „substrat primar". În general, declorurarea reducătoare este procesul prin care un atom de clor este îndepărtat din compusul clorurat şi este înlocuit cu un atom de hidrogen. Declorurarea directă este de obicei asociată cu hidrocarbura clorurată, care actionează ca donor de electron. Substratul primar, de asemenea, se referă de obicei la donorul de electron.

3. Cometabolismul

Atunci când o hidrocarbură alifatică hiperclorurată este biodegradată prin cometabolism, degradarea este catalizată de o enzimă sau cofactor, produsă de către organisme pentru alte scopuri. Prin cometabolism:

• Microorganismele nu obtin nici un beneficiu cunoscut din degradarea compusului clorurat.

• Biotransformarea compusului clorurat poate să fie în acelaşi timp inhibitoare/vătămătoare pentru microorganisme.

Cometabolismul este cel mai bine cunoscut pentru mediile aerobe, însă el se poate realiza şi în condiŃii anaerobe (Ball, 2002).

6. BIOREMEDIEREA CA AFACERE

În ultimii ani, mai multe companii s-au hotărât să dezvolte şi să comercializeze tehnologiile de biodegradare. Existenta unor astfel de companii a devenit acum justificată din punct de vedere economic

• datorită creşterii explozive a costurilor tehnologiilor traditionale de

26

tratare, • datorită rezistentei crescânde a publicului faŃă de unele tehnologii

traditionale (începând de la cea de la Love Canal până la planurile incineratoarelor ENSCO din ultimii ani), şi

• datorită cerinŃelor tot mai exigente ale reglementărilor. Interesul mediului de afaceri comerciale în utilizarea microorganismelor

pentru detoxificarea efluentilor, solurilor, etc. este reflectat în „bioremediere" care a devenit un cuvânt comun în managementul deşeurilor.

Companiile care se specializează în bioremediere (=tehnologiile de biodegradare) trebuie să dezvolte o integrare viabilă a microbiologiei cu sistemele de inginerie. Un exemplu de companie de bioremediere este Envirogen (NJ) care a dezvoltat

• microorganisme ce degradează PCBs (policlorobifenili) şi care au o stabilitate şi o supravieŃuire bună în populaŃiile de organisme din sol; • a dezvoltat bacterii care există în mod natural şi care degradează tricloretilena (TCE) în prezenŃa toluenului, un solvent organic toxic care omoară multe alte microorganisme.

Un mare număr de astfel de companii poate fi găsit utilizând căutare WEB şi un cuvânt cheie (cum ar fi „bioremediation").

Microorganismele au fost aplicate cu succes şi pentru îndepărtarea scurgerilor de petrol de la Exxon Waldez. Unele specii de microorganisme pot utiliza petrolul ca sursă de hrană şi multe dintre acestea produc compuşi tensioactivi de suprafată, care pot emulsiona petrolul în apă şi pot facilita astfel îndepărtarea petrolului. Spre deosebire de surfactantii chimici, emulsificatorul microbian este netoxic şi biodegradabil.

S-au utilizat ,,fertilizatori" pentru a mări viteza de creştere a populaŃiei de bacterii indigene care pot degrada petrolul.

Utilizarea de microorganisme pentru bioremediere nu este limitată la detoxificarea compuşilor organici.

În multe cazuri pot fi utilizate microorganisme selectate pentru a diminua toxicitatea cationilor metalelor grele (cum ar fi seleniul) prin convertirea lor în forme mai puŃin toxice si mai putin solubile. Astfel bioremedierea apei de suprafaŃă cu o contaminare semnificativă de metale grele poate fi realizată (Ball, 2002). 7. EXEMPLE DE APLICARE REUŞITA A BIOREMEDIERII

In Hanahan, o suburbie liniştită a oraşului Charleston din Carolina de Sud, în 1975

o scurgere masivă dintr-un depozit militar a deversat aproximativ 5920 m3 de kerosen. Masurile imediate de recuperare şi izolare a scurgerii nu au putut să împiedice anumite patrunderi in solul nisipos permeabil care a atins nivelul apei freatice. Foarte curând apa din sol a leşiat unele substante toxice precum benzenul din solul saturat cu combustibil şi le-a transportat inspre zona r