การบำบัดทางชีวภาพ: ลักษณะประเภทข้อดีและข้อเสีย - ชีววิทยา - 2026

การบำบัดทางชีวภาพเป็นชุดของการสุขาภิบาลทางเทคโนโลยีชีวภาพโดยใช้ความสามารถในการเผาผลาญของจุลินทรีย์แบคทีเรียเชื้อราพืชและ / หรือเอนไซม์ที่แยกได้เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนในดินและน้ำ

จุลินทรีย์ (แบคทีเรียและเชื้อรา) และพืชบางชนิดสามารถเปลี่ยนรูปแบบทางชีวภาพของสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นมลพิษและเป็นพิษได้หลายชนิดจนกว่าจะไม่เป็นอันตรายหรือไม่เป็นอันตราย พวกเขายังสามารถย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์บางชนิดให้อยู่ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดเช่นมีเทน (CH ₄ ) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO ₂ )

รูปที่ 1. การปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมโดยการรั่วไหลของน้ำมันซึ่งได้รับการบำบัดในภายหลังด้วยการบำบัดทางชีวภาพที่มา: commons.wikimedia.org

จุลินทรีย์และพืชบางชนิดสามารถสกัดหรือตรึงองค์ประกอบทางเคมีที่เป็นพิษเช่นโลหะหนักในสิ่งแวดล้อม (ในแหล่งกำเนิด) โดยการตรึงสารพิษในสิ่งแวดล้อมจะไม่สามารถใช้ได้กับสิ่งมีชีวิตอีกต่อไปดังนั้นจึงไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต

ดังนั้นการลดการดูดซึมของสารพิษจึงเป็นรูปแบบหนึ่งของการบำบัดทางชีวภาพแม้ว่าจะไม่ได้หมายความถึงการกำจัดสารออกจากสิ่งแวดล้อมก็ตาม

ปัจจุบันมีความสนใจทางวิทยาศาสตร์และเชิงพาณิชย์เพิ่มมากขึ้นในการพัฒนาเทคโนโลยีที่ประหยัดและมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ (หรือ "เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม") เช่นการบำบัดทางชีวภาพของพื้นผิวและน้ำใต้ดินตะกอนและดินที่ปนเปื้อน

ลักษณะของการบำบัดทางชีวภาพ

สารปนเปื้อนที่สามารถซึมผ่านทางชีวภาพได้

ในบรรดามลพิษที่ได้รับสารชีวภาพ ได้แก่ โลหะหนักสารกัมมันตภาพรังสีสารมลพิษอินทรีย์ที่เป็นพิษสารระเบิดสารประกอบอินทรีย์ที่ได้จากน้ำมัน (polyaromatic hydrocarbons หรือ HPAs) ฟีนอลเป็นต้น

สภาวะทางเคมีกายภาพในระหว่างการบำบัดทางชีวภาพ

เนื่องจากกระบวนการบำบัดทางชีวภาพขึ้นอยู่กับกิจกรรมของจุลินทรีย์และพืชที่มีชีวิตหรือเอนไซม์ที่แยกได้จึงต้องรักษาสภาวะทางเคมีกายภาพที่เหมาะสมสำหรับสิ่งมีชีวิตหรือระบบเอนไซม์แต่ละชนิดเพื่อให้กิจกรรมการเผาผลาญของพวกมันมีประสิทธิภาพสูงสุดในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพ

ปัจจัยที่ต้องปรับให้เหมาะสมและคงไว้ตลอดกระบวนการบำบัดทางชีวภาพ

- ความเข้มข้นและความสามารถในการดูดซึมของสารมลพิษภายใต้สภาวะแวดล้อม: เนื่องจากหากสูงเกินไปอาจเป็นอันตรายต่อจุลินทรีย์ชนิดเดียวกันที่มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปทางชีวภาพได้

- ความชื้น: ความพร้อมของน้ำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเช่นเดียวกับการทำงานของเอนไซม์ของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่ปราศจากเซลล์ โดยทั่วไปควรรักษาความชื้นสัมพัทธ์ 12 ถึง 25% ในดินที่ผ่านการบำบัดทางชีวภาพ

- อุณหภูมิ: ต้องอยู่ในช่วงที่อนุญาตให้มีชีวิตรอดของสิ่งมีชีวิตที่ใช้และ / หรือกิจกรรมของเอนไซม์ที่ต้องการ

- สารอาหารที่มีประโยชน์ทางชีวภาพ: จำเป็นต่อการเจริญเติบโตและการเพิ่มจำนวนของจุลินทรีย์ที่น่าสนใจ โดยหลักแล้วจะต้องควบคุมคาร์บอนฟอสฟอรัสและไนโตรเจนรวมทั้งแร่ธาตุที่จำเป็นบางอย่าง

- ความเป็นกรดหรือด่างของตัวกลางในน้ำหรือ pH (การวัดไอออน H ⁺ในตัวกลาง)

- ความพร้อมของออกซิเจน: ในเทคนิคการบำบัดทางชีวภาพส่วนใหญ่จะใช้จุลินทรีย์แบบแอโรบิค (เช่นในการทำปุ๋ยหมักไบโอไพล์และ "การฝังกลบ") และการเติมอากาศของสารตั้งต้นเป็นสิ่งที่จำเป็น อย่างไรก็ตามจุลินทรีย์ที่ไม่ใช้ออกซิเจนสามารถใช้ในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพภายใต้สภาวะที่มีการควบคุมอย่างมากในห้องปฏิบัติการ (โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ)

ประเภทของการบำบัดทางชีวภาพ

ในบรรดาเทคโนโลยีชีวภาพที่ใช้การบำบัดทางชีวภาพมีดังต่อไปนี้:

biostimulation

Biostimulation ประกอบด้วยการกระตุ้นในแหล่งกำเนิดของจุลินทรีย์เหล่านั้นที่มีอยู่แล้วในสิ่งแวดล้อมที่ถูกปนเปื้อน (จุลินทรีย์อัตโนมัติ) ซึ่งสามารถทำให้สารปนเปื้อนทางชีวภาพได้

การจำลองทางชีวภาพในแหล่งกำเนิดทำได้โดยการปรับเงื่อนไขทางเคมีฟิสิกส์ให้เหมาะสมเพื่อให้กระบวนการที่ต้องการเกิดขึ้นนั่นคือ pH ออกซิเจนความชื้นอุณหภูมิและอื่น ๆ และการเพิ่มสารอาหารที่จำเป็น

บำบัดดินที่ป

การแบ่งส่วนทางชีวภาพเกี่ยวข้องกับการเพิ่มจำนวนจุลินทรีย์ที่น่าสนใจ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยอัตโนมัติ) เนื่องจากการเพิ่มหัวเชื้อที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ

ต่อจากนั้นเมื่อจุลินทรีย์ที่สนใจได้รับการฉีดวัคซีนในแหล่งกำเนิดแล้วเงื่อนไขทางเคมีฟิสิกส์จะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสม (เช่นในการจำลองทางชีวภาพ) เพื่อส่งเสริมกิจกรรมการย่อยสลายของจุลินทรีย์

สำหรับการประยุกต์ใช้การแยกส่วนทางชีวภาพต้องพิจารณาต้นทุนของการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพในห้องปฏิบัติการ

ทั้งการจำลองทางชีวภาพและการแยกส่วนทางชีวภาพสามารถใช้ร่วมกับเทคโนโลยีชีวภาพอื่น ๆ ทั้งหมดที่อธิบายไว้ด้านล่าง

การทำปุ๋ยหมัก

การทำปุ๋ยหมักประกอบด้วยการผสมวัสดุที่ปนเปื้อนกับดินที่ไม่มีการปนเปื้อนเสริมด้วยสารปรับปรุงพันธุ์พืชหรือสัตว์และสารอาหาร ส่วนผสมนี้ก่อตัวเป็นกรวยสูงถึง 3 เมตรโดยเว้นระยะห่างกัน

ต้องควบคุมการให้ออกซิเจนของชั้นล่างของกรวยโดยการกำจัดออกจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งด้วยเครื่องจักรเป็นประจำ ต้องรักษาสภาพความชื้นอุณหภูมิ pH สารอาหารและอื่น ๆ ให้เหมาะสม

Biopiles

เทคนิคการบำบัดทางชีวภาพด้วยไบโอไพล์นั้นเหมือนกับเทคนิคการทำปุ๋ยหมักที่อธิบายไว้ข้างต้นยกเว้น:

• ไม่มีสารปรับปรุงพันธุ์จากพืชหรือสัตว์
• การกำจัดการเติมอากาศโดยการเคลื่อนย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

ไบโอไพล์ยังคงอยู่ที่เดิมโดยจะถูกเติมอากาศในชั้นภายในผ่านระบบท่อซึ่งจะต้องพิจารณาค่าใช้จ่ายในการติดตั้งการใช้งานและการบำรุงรักษาจากขั้นตอนการออกแบบของระบบ

Landfarming

เทคโนโลยีชีวภาพที่เรียกว่า“ landfarming” (แปลจากภาษาอังกฤษ: tilling the land) ประกอบด้วยการผสมวัสดุที่ปนเปื้อน (โคลนหรือตะกอน) กับดินที่ไม่มีการปนเปื้อน 30 ซม. แรกของพื้นที่ขนาดใหญ่

ในเซนติเมตรแรกของดินการย่อยสลายของสารก่อมลพิษเป็นที่ชื่นชอบเนื่องจากการเติมอากาศและการผสม เครื่องจักรกลการเกษตรใช้สำหรับงานเหล่านี้เช่นรถไถ

ข้อเสียเปรียบหลักของการทำฟาร์มฝังกลบคือจำเป็นต้องใช้ที่ดินผืนใหญ่ซึ่งสามารถใช้ในการผลิตอาหารได้

การบำบัด

Phytoremediation หรือที่เรียกว่า micro-organism และ plant-assisted bioremediation เป็นชุดของเทคโนโลยีชีวภาพที่อาศัยการใช้พืชและสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเพื่อกำจัด จำกัด หรือลดความเป็นพิษของสารที่ก่อให้เกิดมลพิษในน้ำผิวดินหรือใต้ดินตะกอนและดิน

ในระหว่างการบำบัดด้วยแสงอาจเกิดการย่อยสลายการสกัดและ / หรือการทำให้เสถียร (การดูดซึมลดลง) ของสารปนเปื้อน กระบวนการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ใกล้กับรากของพวกมันในบริเวณที่เรียกว่าไรโซสเฟียร์

รูปที่ 2 การบำบัดทางชีวภาพของน้ำที่ปนเปื้อนพืชและจุลินทรีย์ ที่มา: Wikyhelper จาก Wikimedia Commons

Phytoremediation ประสบความสำเร็จอย่างยิ่งในการกำจัดโลหะหนักและสารกัมมันตภาพรังสีจากดินและพื้นผิวหรือน้ำใต้ดิน (หรือการกรองน้ำที่ปนเปื้อนด้วย rhizofiltration)

ในกรณีนี้พืชจะสะสมโลหะจากสิ่งแวดล้อมในเนื้อเยื่อของมันจากนั้นจะเก็บเกี่ยวและเผาภายใต้สภาวะที่มีการควบคุมเพื่อให้สารก่อมลพิษจากการกระจายตัวในสิ่งแวดล้อมไปสู่การกระจุกตัวในรูปของขี้เถ้า

ขี้เถ้าที่ได้รับสามารถนำไปบำบัดเพื่อกู้คืนโลหะ (หากเป็นประโยชน์ทางเศรษฐกิจ) หรือสามารถทิ้งในสถานที่กำจัดของเสียขั้นสุดท้าย

ข้อเสียของการบำบัดด้วยแสงคือการขาดความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้อง (พืชแบคทีเรียและเชื้อราไมคอร์ไรซา)

ในทางกลับกันต้องรักษาสภาพแวดล้อมที่ตอบสนองความต้องการของสิ่งมีชีวิตที่นำไปใช้ทั้งหมด

bioreactors

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเป็นภาชนะบรรจุที่มีขนาดใหญ่ซึ่งอนุญาตให้รักษาสภาพทางเคมีฟิสิกส์ที่มีการควบคุมอย่างมากในอาหารเลี้ยงเชื้อในน้ำโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสนับสนุนกระบวนการทางชีววิทยาที่น่าสนใจ

จุลินทรีย์แบคทีเรียและเชื้อราสามารถเพาะเลี้ยงได้ในปริมาณมากในห้องปฏิบัติการในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแล้วนำไปใช้ในกระบวนการทางชีวภาพในแหล่งกำเนิด นอกจากนี้ยังสามารถเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เพื่อประโยชน์ของการได้รับเอนไซม์ย่อยสลายมลพิษ

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพถูกนำมาใช้ในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพจากแหล่งกำเนิดโดยการผสมสารตั้งต้นที่ปนเปื้อนกับอาหารเลี้ยงเชื้อจุลินทรีย์เพื่อช่วยในการย่อยสลายของสารปนเปื้อน

จุลินทรีย์ที่ปลูกในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอาจเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนได้ซึ่งในกรณีนี้อาหารเลี้ยงเชื้อในน้ำจะต้องไม่มีออกซิเจนละลายน้ำ

รูปที่ 3. เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ที่มา: es.m.wikipedia.org

ในบรรดาเทคโนโลยีชีวภาพการบำบัดทางชีวภาพการใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมีราคาค่อนข้างแพงเนื่องจากการบำรุงรักษาอุปกรณ์และข้อกำหนดสำหรับการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์

Microremediation

การใช้จุลินทรีย์จากเชื้อรา (microscopic fungi) ในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพของสารมลพิษที่เป็นพิษเรียกว่า mycorremediation

ควรพิจารณาว่าการเพาะเชื้อราด้วยกล้องจุลทรรศน์มักมีความซับซ้อนมากกว่าแบคทีเรียดังนั้นจึงมีความหมายถึงต้นทุนที่สูงขึ้น นอกจากนี้เชื้อรายังเติบโตและแพร่พันธุ์ได้ช้ากว่าแบคทีเรียด้วยการบำบัดทางชีวภาพที่ได้รับความช่วยเหลือจากเชื้อราเป็นกระบวนการที่ช้ากว่า

การบำบัดทางชีวภาพเทียบกับเทคโนโลยีทางกายภาพและเคมีทั่วไป

-ความได้เปรียบ

เทคโนโลยีชีวภาพการบำบัดทางชีวภาพนั้นประหยัดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าเทคโนโลยีการสุขาภิบาลทางเคมีและกายภาพที่ใช้ตามอัตภาพ

ซึ่งหมายความว่าการประยุกต์ใช้การบำบัดทางชีวภาพมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำกว่าการปฏิบัติทางเคมีฟิสิกส์ทั่วไป

ในทางกลับกันในบรรดาจุลินทรีย์ที่ใช้ในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพบางชนิดสามารถสร้างแร่ธาตุที่ก่อมลพิษเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันหายไปจากสิ่งแวดล้อมซึ่งเป็นสิ่งที่ยากที่จะบรรลุในขั้นตอนเดียวด้วยกระบวนการทางเคมีฟิสิกส์ทั่วไป

- ข้อเสียและแง่มุมที่ต้องพิจารณา

ความสามารถในการเผาผลาญของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในธรรมชาติ

เนื่องจากมีการแยกจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในธรรมชาติเพียง 1% ข้อ จำกัด ของการบำบัดทางชีวภาพคือการระบุจุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพของสารปนเปื้อนที่เฉพาะเจาะจงได้

ขาดความรู้เกี่ยวกับระบบประยุกต์

ในทางกลับกันการบำบัดทางชีวภาพทำงานร่วมกับระบบที่ซับซ้อนของสิ่งมีชีวิตตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปซึ่งโดยทั่วไปยังไม่เข้าใจ

จุลินทรีย์บางชนิดที่ศึกษาพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงสารประกอบที่ก่อมลพิษทางชีวภาพให้เป็นผลพลอยได้ที่เป็นพิษมากยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องศึกษาสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการบำบัดทางชีวภาพและปฏิสัมพันธ์เชิงลึกในห้องปฏิบัติการมาก่อน

นอกจากนี้การทดสอบนำร่องขนาดเล็ก (ในภาคสนาม) จะต้องดำเนินการก่อนที่จะนำไปใช้เป็นจำนวนมากและในที่สุดกระบวนการบำบัดทางชีวภาพจะต้องได้รับการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดเพื่อรับประกันว่าการสุขาภิบาลสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นอย่างถูกต้อง

การสรุปผลที่ได้รับในห้องปฏิบัติการ

เนื่องจากระบบทางชีววิทยามีความซับซ้อนสูงผลลัพธ์ที่ได้ในขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการจึงไม่สามารถอนุมานได้กับกระบวนการภาคสนามเสมอไป

ลักษณะเฉพาะของกระบวนการบำบัดทางชีวภาพแต่ละขั้นตอน

กระบวนการบำบัดทางชีวภาพแต่ละขั้นตอนมีความหมายถึงการออกแบบการทดลองที่เฉพาะเจาะจงตามเงื่อนไขเฉพาะของสถานที่ปนเปื้อนประเภทของสารปนเปื้อนที่จะบำบัดและสิ่งมีชีวิตที่จะนำไปใช้

จากนั้นจึงจำเป็นที่กระบวนการเหล่านี้จะถูกกำกับโดยกลุ่มผู้เชี่ยวชาญแบบสหวิทยาการซึ่งต้องเป็นนักชีววิทยานักเคมีวิศวกรและอื่น ๆ

การบำรุงรักษาสภาพแวดล้อมทางเคมีกายภาพบำบัดเพื่อสนับสนุนการเจริญเติบโตและกิจกรรมการเผาผลาญที่สนใจหมายถึงการทำงานถาวรในระหว่างกระบวนการบำบัดทางชีวภาพ

เวลาที่ต้องการ

ในที่สุดกระบวนการบำบัดทางชีวภาพอาจใช้เวลานานกว่ากระบวนการทางเคมีฟิสิกส์ทั่วไป

อ้างอิง

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). การบำบัดทางชีวภาพของดินที่ปนเปื้อนน้ำมันใช้แล้วโดยใช้ครอกสัตว์ปีก วารสารวิจัยทางวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ 3 (2) 124-130
2. อดัมส์โอ. (2558). "Bioremediation, Biostimulation and Bioaugmentation: A Review". International Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "ปัจจัยที่ จำกัด เทคโนโลยีการบำบัดทางชีวภาพ". เทคโนโลยี Bioresource 74: 63–7. ดอย: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY และ Schoeder, D. (1999). หลักการของ Biorecovery McGraw-Hill Interamericana จากสเปนมาดริด หน้า 296
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA และ Brock, T. (2015) ชีววิทยาของจุลินทรีย์ Brock 14 เอ็ด เบนจามินคัมมิงส์ หน้า 1041
6. McKinney, RE (2004). จุลชีววิทยาควบคุมมลพิษสิ่งแวดล้อม. M. Dekker. หน้า 453
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu รายได้ Plant Biol 56: 15-39