فناوري زيست پالايي براي حذف آلودگي هاي نفتي در خاك و آب

[محمــد 4415]

نويسنده: پژوهش : نرجس راه پيما سروستاني

 

فرآورده هاي نفتي از پرمصرف ترين مواد شيميايي در دنياي مدرن امروز محسوب مي شوند. با توجه به حجم عظيم سوختي كه براي توليد نيرو در اتومبيل ها و ايجاد حرارت در خانه ها نياز است و فراواني دفعاتي كه يك بشكه نفت منتقل و ذخيره مي شود، تصادف و نشت آن اجتناب ناپذير است. اعتقاد بر اين است كه كل ميزان نفتي كه ا زطريق فعاليت هاي انساني و يا طبيعي وارد دريا مي شود مي تواند سطح همه اقيانوس هاي كره زمين را با ضخامت20 مولكول بپوشاند. با توجه به اينكه نفت حاوي مواد شيميايي خطرناكي نظير بنزن، تولوئن، اتيل بنزن، زايلن، نفتالن و غيره است، مي تواند براي سلامت گياهان، جانوران و انسان مضر باشد.

در اين ميان با وجودي كه نشت هاي عظيم نفتي سهم كمي از آلودگي را به خود اختصاص مي دهد اما به دليل خسارات زيادي كه به محيط زيست وارد مي كند نگراني بيشتري را بوجود مي آورد. مطابق آمار ITOPF ، از سال2000 تا2008 تنها196000 تن نفت در اثر حوادثي كه براي نفت كش ها پيش آمده وارد دريا شده است.

 

كشور ما نيز جزو كشورهاي نفت خيز جهان محسوب مي شود و از اين خسارات بي نصيب نمانده است. در دي ماه1388 يك چاه نفت در منطقه مارون خوزستان نشت كرد و در اثر آن حدود20 هزار بشكه نفت وارد منطقه شد و100 هكتار زمين را آلوده كرد. علاوه بر اين قطعاً در مناطق نفت خيز كشور نظير خوزستان خاك و آبها ي زيرزميني در اثر فعاليت هاي انساني و طبيعي دچار آلودگي مي شوند ولي متاسفانه آمار دقيقي از ميزان آلودگي نفتي در اين مناطق در دست نيست.

 

 

حذف آلودگي هاي نفتي

آلودگي هاي نفتي به سه روش فيزيكي، شيميايي و زيستي پاكسازي مي شوند. براي حذف آلودگي آبها به روش فيزيكي ممكن است از ابزارهاي جمع كننده مثل skimmer استفاده شود. در مورد خاك هاي آلوده نيز روش landfilling كه نوعي سيستم دفن بهداشتي مواد آلوده است و يا سوزاندن به كار گرفته مي شود. بعضي از اين روش ها مثل landfilling و سوزاندن بسيار گران هستند علاوه براين سوزاندن باعث آلودگي هوا مي شود. استفاده از skimmer نيز روش ساده اي نيست و براي نشت نفت در سطح وسيع آنچنان كه بايد مؤثر نيست. روش هاي شيميايي شامل تزريق مستقيم اكسيد كننده هاي شيميايي به محيط است كه منجر به تغيير ماهيت طبيعي محيط مي شود. اما روش هاي زيستي كه به طور معمول شامل تبديل آلودگي به مواد غيرسمي با استفاده از فرآيندهاي ميكروبي است مؤثرتر و بي ضررتر به نظر مي رسد.

زيست پالايي يك فن آوري حذف آلودگي است كه در آن سيستم زيستي براي تخريب يا تغيير شكل مواد شيميايي زيانبار استفاده مي شود. سه فرم كلي براي زيست پالايي وجود دارد:

 

- Intrinsic Bioremediation : دنبال كردن فرآيند طبيعي تجزيه زيستي است و از طريق آن ميكرو ارگانيزم هاي طبيعي موجود در محيط در همان شرايط طبيعي حذف آلودگي ها را تا سطح قابل قبولي انجام مي دهند. به طور كلي اين اولين انتخاب براي حذف آلودگي به روش زيستي است به اين دليل كه هيچ مداخله اي در آن صورت نمي گيرد و فقط روند طبيعي كار دنبال مي شود.

 

-Biostimulation : در واقع بهبود شرايط محيطي نظير اضافه كردن مواد غذايي يا هوادهي است. اين روش هنگامي صورت مي گيرد كه سرعت تجزيه زيستي به طور طبيعي كم باشد و به همين دليل ميكرو ارگانيزم هاي موجود در محيط تحريك شده تا مواد شيميايي هدف را تجزيه كنند. در اين موارد معمولاً جمعيت تجزيه كننده به اندازه كافي حضور دارد ولي شرايط محيطي براي فعاليت آنها مساعد نيست. اين شرايط نامساعد مي تواند، نبودن اكسيژن، pH نامناسب، كمبود مواد مغذي به شكل معدني، كمبود رطوبت و دماي نامناسب، باشد يا اينكه ميزان در دسترس بودن ماده شيميايي مورد نظر مطلوب نباشد. با مساعد كردن شرايط محيطي مي توان سرعت تجزيه زيستي را توسط ميكرو ارگانيزم هاي خود محيط، افزايش داد.

 

-Bioaugmentation : اين فرآيند شامل وارد كردن ميكرو ارگانيزم هاي غيربومي به محيط طبيعي است كه با هدف افزايش سرعت و يا گسترش تجزيه زيستي انجام مي شود. اين روش معمولاً زماني استفاده مي شود كه ميكرو ارگانيزم هاي خود محيط قادر به تجزيه نباشند يا اينكه ماده آلوده كننده محيط ساختاري پيچيده داشته و از طيف وسيعي از تركيبات تشكيل شده باشد. در واقع وقتي intrinsic bioremediation و Biostimulation نتايج قابل قبولي به دست نياورند از اين روش استفاده مي شود. كه به دليل كم بودن جمعيت ميكرو ارگانيزم هاست يا اينكه ماده شيميايي هدف دير تجزيه شونده يا سرسخت مي باشد. به همين منظور باكتري هايي كه توانايي انجام فعاليت مورد نظر را به طور طبيعي يا با استفاده از تكنيك هاي مهندسي ژنتيك داشته باشند مستقيماً وارد منطقه آلوده مي كنند. در اين روش اگر نياز باشد مواد غذايي هم وارد مي شود.

هدف زيست پالايي نفت، تجزيه كامل هيدروكربن ها به آب و دي اكسيد كربن توسط ميكروارگانيزم است. اين تكنيك نسبت به ساير روش هاي حذف آلودگي نفتي چندين مزيت دارد، كه از جمله مي توان به اين موارد اشاره نمود: تبديل مواد سمي به محصولات نهايي غيررسمي و بي خطر، هزينه پايين، كاهش اثرات جانبي روي سلامت انسان و محيط زيست، تاثير طولاني مدت همراه با روش هاي غيرمخرب و بالاخره توانايي حذف آلودگي به صورت in situ و بدون اينكه لازم باشد اختلالي در اكوسيستم ايجاد شود.

 

 

ساختار نفت

نفت احتمالاً پيچيده ترين تركيب آلي روي زمين است مشخص شده كه بيش از17000 تركيب شيميايي در اين ماده وجود دارد. نفت خام يك ماده يكنواخت و هموژن نيست. هر نفتي طيف متفاوتي از مواد شيميايي را دارد كه روي پايداري و تجزيه پذيري آن تاثير مي گذارد. نفت خام اساساً از هيدروكربن ها تشكيل شده است. اين هيدروكربن ها كه تعداد اتم كربنشان بين C1 تا C50 مي باشد در سه گروه پارافيني (آلكان ها)، نفتني (سيكلو آلكان ها) و آروماتيك قرار مي گيرند. علاوه بر هيدروكربن ها نفت داراي مقدار كمي تركيبات آلي گوگرد دار، نيتروژن دار و اكسيژن دار و مقدار بسيار جزئي تركيبات آلي - فلزي با پايه نيكل، واناديم و آهن مي باشد. از نظر تجزيه پذيري، نفت را مي توان به چهار جزء هيدروكربن هاي اشباع، هيدروكربن هاي آروماتيك، مواد قطبي غيرهيدروكربني مثل رزين و در نهايت آسفالتن تقسيم كرد. نفت سبك بيشتر از هيدروكربن هاي اشباع و آروماتيك تشكيل شده كه داراي درصد كمي از رزين و آسفالتن مي باشد اما نفت سنگين كه ناشي از تجزيه نفت خام در شرايط بدون اكسيژن در مخازن طبيعي است هيدروكربن اشباع و آرماتيك كمتري دارد و بيشتر از تركيبات قطبي، رزين و آسفالتن تشكيل شده است. هنگام تجزيه زيستي نفت خام در محيط طبيعي مواد مشابه اي با تجزيه نفت سنگين حاصل مي شود. در چنين حالتي كمبود هيدروكربن هاي اشباع و آروماتيك همراه با افزايش نسبي تركيبات قطبي (كه به تجزيه زيستي مقاوم ترند) يك نشانه بارز تجزيه زيستي نفت خام در طبيعت است. به دليل اينكه بيشترين قسمت نفت را هيدروكربن ها تشكيل مي دهند، تجزيه آنها از لحاظ كمي مهمترين فرآيند حذف نفت از محيط است. لازم به ذكر است با اينكه تركيبات آروماتيك و قطبي درصد كمتري از نفت خام را تشكيل مي دهند اما پايدارتر و سمي تر بوده و به زمان بيشتري براي تجزيه نياز دارند.

 

 

ميكروارگانيزم هاي مسئول تجزيه نفت

باكتري هاي تجزيه كننده هيدروكربن اولين بار حدود يك قرن قبل جداسازي شدند. امروز حدود79 جنس از باكتريها شناسايي شده اند كه توانايي استفاده از هيدروكربن به عنوان منبع كربن و انرژي را دارند از مهمترين آنان مي توان به جنس هاي Alcanivorax sp و Psuedomonas sp. اشاره كرد.

نكته اي كه بايد مورد توجه قرار گيرد اين است كه اين ميكرو ارگانيزم ها تنها اجزاي فرآيند زيست پالايي نفت نيستند و بخشي از يك شبكه اكولوژيكي هستند كه به طور مستقيم و غيرمستقيم با ساير اجزاي محيط در ارتباط هستند. در واقع عواملي مثل رقابت براي مواد غذايي محدود كننده، شكار شدن توسط پروتوزآ، ليز شدن به وسيله فاژها و برهم كنش هاي اشتراكي كه سبب افزايش تجزيه زيستي مي گردد بر فعاليت اين ميكرو ارگانيزم ها تاثير مي گذارند.

بنابراين به منظور معرفي يك باكتري جديد براي زيست پالايي محيط هاي آلوده به مواد نفتي اين مسائل بايد در نظر گرفته شود.

 

 

مكانيزم هاي تجزيه اجزاي نفت خام

اصولاً ميكروارگانيزم ها با كمك3 فرآورده اصلي زير قادر به تجزيه هيدروكربورهاي نفتي مي باشند.

- آنزيم ها: همانطور كه در قسمت بالا توضيح داده شد آنزيم هاي مونواكسيژناز و دي اكسيژناز مهمترين آنزيم هاي مؤثر در تجزيه هيدروكربورهاي نفتي بوده و فرآورده هاي حاصل از فعاليت اين آنزيم ها، الكل ها هستند، بنابراين با سنجش ميزان الكل ها مي توان پي به مقدار تجزيه هيدروكربورهاي نفتي برد.

 

- بيوسورفكتانتها: مواد بيولوژيك داراي گروه هاي آب دوست و آب گريز در سطح سلول هستند و به وسيله تعداد زيادي از ميكرو ارگانيزم ها توليد مي شوند. براساس ساختار شيميايي به گروه هاي گليكوليپيدي، فسفوليپيدها، اسيدهاي چرب و ليوپلي ساكاريدها طبقه بندي مي شوند. بيوسورفكتانتها به وسيله امولسيونه كردن و آزاد كردن هيدروكربورهاي جذب شده به مواد آلي خاك، سبب افزايش غلظت آبي تركيبات هيدروفوبيك شده و باعث افزايش سرعت انتقال جرم مي شود و به اين وسيله به تسريع تجزيه زيستي كمك مي كنند. از بيوسورفكتانتها براي پاكسازي تانك هاي ذخيره نفت، تصفيه فاضلاب هاي نفتي و تجزيه زيستي آلودگي هاي نفتي در مناطق خشكي و دريايي استفاده مي شود.

 

- اسيدها و حلال ها: بسياري از ميكرو ارگانيزم ها قادرند با استفاده از هيدروكربورها به عنوان منبع كربن و انرژي، اسيدها و حلال هاي مختلف نظير استن، انز، بنزن و اسيد اگزالواستيك توليد كنند كه باعث حل شدن هيدروكربورهاي نفتي مي شود. هيچ ميكرو ارگانيزمي به تنهايي قادر به تجزيه كامل هيدروكربورهاي نفتي به Co2 و آب به عنوان محلول نهايي نيست. اصولاً از قارچ ها در محيط خاكي و از باكتري ها در محيط آبي بيشتر استفاده مي شود. امروزه با كمك مهندسي ژنتيك چندين پلاسميد را درون باكتري ها به خصوص جنس سودوموناس قرار داده اند تا بتوانند چندين مشتق نفتي را به طور همزمان تجزيه كنند. محققان كانادايي چهار پلاسميد را درون سودوموناس پوتيدا قرار داده و سويه اي از مهندسي ژنتيك شده را توليد كرده اند كه قادر است به طور همزمان نفتالين، پارافين، بنزن و آسفالتن را تجزيه كند. سودوموناس پوتيدا توانايي تجزيه هيدروكربورهاي حلقوي معطر را دارد. سويه اي از TOL پلاسميد است. اين پلاسميد را در جهت افزايش قدرت تجزيه كنندگي تركيبات هالوژن دار حلقوي معطر از طريق كونژگاسيون (لقاح) B13 از سودوموناس پوتيدا به سويه TOL تغيير داده اند.

 

 

هدف پژوهش

هدف اصلي اين پژوهش بررسي ژن هاي مسئول در تجزيه تركيبات نفتي باكتري هاي مؤثر در زيست پالايي آلودگي هاي نفتي و انتقال اين ژن ها به گياهان مناسب و شناسايي گياهاني كه خود داراي قدرت تجزيه تركيبات نفتي باشند و تقويت ژن هاي دخيل در گياهان براي افزايش قدرت تجزيه تركيبات نفتي جهت حفظ محيط زيست است.

 

مواد و روش ها

در ابتدا تمامي بررسي ها به كمك روش هاي روز بيوانفورماتيك انجام خواهد شد كه نياز به صرف هيچ هزينه اي نيست. تمامي مراحل به كمك بانك هاي اطلاعاتي به صورت Online و نرم افزارهاي ويژه انجام مي شود. پس از اينكه از نظر تئوري نتيجه اي حاصل شد و روش هاي بيوانفورماتيكي ايده را به تصويب رساند اقدام به اجراي عملي آن مي كنيم. بيورانفورماتيك هزينه هاي كارهاي عملي را كاهش مي دهد.

 

منبع : ماهنامه نفت پارس