Domeniul Biotehnologiilor Mediului cuprinde aplicatiile biotehnologiilor in rezolvarea problemelor de mediu - tratamentul deseurilor lichide si solide, tehnici de control al poluarii, de reabilitare etc. Acest domeniu lucreaza cu ecologia microbiana, care a progresat rapid in ultimii 20 de ani, prin dezvoltarea noilor tehnici genetice (ARN – acid ribonucleic si ADN – acid dezoxiribonucleic) de descriere a structurii si funcției culturilor microbiene.

Metodele moleculare ofera informatii amanuntite care ne ajuta sa intelegem care anume sunt elementele vietii microbiene ce pot fi folosite in acest scop. De multe ori, s-a dovedit a fi utila folosirea insusirilor microorganismelor in combinatie cu materialele moderne sau cu procesele fizice si chimice.    

In trecut, Biotehnologiile Mediului erau considerate de majoritatea specialistilor ca facand parte dintre aplicatiile microbiologiei. Motivul era ca, in mod traditional, biotehnologiile mediului foloseau activitatea microbiana pentru rezolvarea problemelor de mediu. Alti specialisti erau de parere ca biotehnologiile faceau parte mai degraba dintre metodele de control al poluarii biologice (bioremediere).    

In prezent, utilizarea biotehnologiilor mediului la scara intregii lumi a luat o amploare exceptionala, mai ales in cazul tarilor aflate in curs de dezvoltare.    

Biotehnologiile Mediului folosesc culturile microbiene pentru a acoperi anumite nevoi ale societatii. Majoritatea serviciilor oferite poate fi impartita in doua categorii importante: 

• culturile microbiene pot elimina elementele toxice contaminante din apa, sol, depuneri si namol, permitand astfel societatii refolosirea resurselor; 

• culturile microbiene pot converti valoarea energetica a deseurilor (din deseurile amestecate, sau cu compozitie periculoasa, se obțin diferite tipuri de biomasa, care sunt folosite cu usurinta de catre societatea umana: de exemplu, metan, hidrogen, electricitate, etanol si biogaz).    

Ambele categorii de servicii au ca element comun faptul ca se bazeaza pe arderea dirijata a microbilor (oxidare microbiana catalizata) și pe reacțiile chimice de reducere (scadere a nivelului de oxidație). Cu toate ca fenomenele de oxidare si reducere stau la baza vieții, microorganismele poseda capacitati unice de a dezvolta energii de ardere si reducere, energii care pot fi utile societatii omenesti .  In acest sens, devine foarte important modul in care aceste servicii sunt gestionate. Aceasta implica de multe ori crearea unor sisteme tehnice care sa combine insusirile microorganismelor cu materialele moderne sau cu procesele fizice si chimice. Din fericire, ingineria si stiința materialelor progreseaza in acelasi ritm cu ecologia moleculara microbiana. Astfel, intelegerea noastra extinsa privind structura si functia comunitatilor microbiene poate tine pasul cu sistemele tot mai sofisticate de inginerie care gestioneaza structura comunitatilor, putand astfel fi directionata catre obiective sociale.       

Aplicatiile Biotehnologiilor Mediului    

Utilizarea biotehnologiilor in tratarea poluarii nu este o idee noua. Societatea  a folosit populatiile complexe microbiene aparute in mod natural pentru curațirea canalelor de peste un veac. Toate organismele vii – animale, plante, bacterii si asa mai departe – se hranesc cu nutrienti pentru a trai, rezultand astfel deseuri. Diferitele organisme consuma diferite tipuri de substante nutritive. De exemplu, anumite bacterii prospera consumand componentele chimice ale unor deseuri, iar unele microorganisme se hranesc cu materiale toxice - clorura de metilen, detergenti, creozot etc.    

Multitudinea de moduri in care pot fi utilizate Biotehnologiile de mediu este practic nelimitata. Este deosebit de important, totusi, sa fie gasite si aplicate intotdeauna solutiile si metodele optime, si care nu necesita costuri ridicate de aplicare.     Activitatea metabolica a microorganismelor constituie baza sistemelor aplicarii biotehnologiilor in tratarea poluarii. Nu trebuie, de asemenea, ignorata importanța cunoasterii capacitatilor metabolice ale microorganismelor, pentru a face posibile orice asemenea aplicatii.    

Cele mai importante aplicatii ale Biotehnologiilor Mediului in prezent sunt:        

1. Masuratorile de mediu 

Exemple:      

Detectoare de lanturi ADN (sonde ADN), care sunt specializate pentru detectarea prezenței acizilor nucleici si a organismelor patogene in sondele de mediu;  ·        

Biosenzorii folosiți la detectarea organismelor patogene și a factorilor de poluare.        

2.Controlul poluarii sistemelor de mediu degradate;

Biotehnologiile Mediului utilizeaza metode biologice pentru reabilitarea unor terenuri care pot fi populate sau pot fi utilizate in alte moduri, precum si pentru controlul poluarii sistemelor acvifere poluate sau eutrofizate (lacuri și balți imbogațite cu materii organice și cu substanțe nutritive -nitrați, fosfați etc. - saracite astfel de oxigenul necesar vieții acvatice;        

3.Tratamentul apelor poluate 

Exemple:

Tratamentul deșeurilor umede si solide.  O mare parte din deseurile orasenesti si industriale sunt materiale care ar trebui sa fie tratate inainte de a fi returnate in natura; astfel, Biotehnologiile Mediului permit aplicarea unor noi metode de tratament, mult mai ieftine și mai prietenoase pentru mediu;       

Transformarea deșeurilor in substanțe cu o mare valoare nutritiva. Transformarea gunoiului ecologic sau a deșeurilor industriale in alimente pentru animale cu valoare nutritiva mare;        

4. Aplicarea unor procese și metode industriale care evita sau limiteaza poluarea mediului 

Biotehnologiile pot ajuta la dezvoltarea unor metode nepoluante de producție a unor bunuri: 

1. Folosirea unor produse naturale (fermenți sau bacterii) in industria producatoare de piele, textile sau tratarea hartiei;  2. Productia plasticului reciclat din microorganisme care pot inlocui plasticul sintetic utilizat in prezent (care nu poate fi reciclat); 

3.Productia de ingrasaminte si produse medicinale pentru agricultura; 

4.Productia de energie din surse neconvenționale – bioetanol, biogaz, hidrogen biologic.    

Valoarea produselor cu nivel redus de oxigen 

Biotehnologiile Mediului folosesc, in primul rand, oxidarea contaminantilor cu nivel scazut de oxigen. Tehnologiile traditionale de tratament al apelor reziduale (precum namolurile activate) sunt de fapt mijloace de oxidare si consum de oxigen aplicate inainte ca apele tratate sa fie intoarse in circuitul natural al apei. Acest concept se aplica nu numai apelor reziduale urbane, dar si in tratarea apelor reziduale industriale, in remedierea deversarilor si scurgerilor de petrol si in stabilizarea biologica a apei potabile.    

In prezent, inginerii de mediu si oamenii de stiinta au inteles ca multe dintre cele mai mari provocari pentru recuperarea calitatii apei sunt strans legate de oxidarea contaminantilor sau de agentii poluanti care nu doneaza elctroni, ci doar primesc. Lista contaminantilor oxidati este lunga. Cativa dintre cei mai importanti contaminanti oxidati sunt: 

• Nitrații (NO3 -) și nitriții (NO2  -), proveniti din apele reziduale si din depozitele de ingrasaminte; cauzeaza methemoglobinemia la sugari si provoaca eutrofizarea culturala a apelor; 

• Perclorații (ClO4 -), proveniti din combustibilul rachetelor, alti combustibili de propulsie, un anumit ingrasamant din Chile; afecteaza functia tiroidiana și perturbeaza echilibrul chimic endocrin; 

• Selenati (SeO4 2-), proveniti din centralele electrice pe carbune, rafinarii de petrol, topitorii de metal si anumite soluri irigate; cauzeaza probleme funcției de reproducere ;* 

• Cromați (CrO4 3-), proveniti din procesele de galvanizare, minerit si prelucrarea de combustibili fosili; provoaca daune la ficat si rinichi; 

• Arsenați (H2AsO4 -), prezenti in anumite soluri; provoaca daune gastrointestinale, stop cardiac și cancer; 

• Solventi pe baza de clor, preum tricloretilena, folosiți ca dizolvanti sau agenti de curatare in industrie și comert; sunt suspecti sau cunoscuti ca factori cauzatori ai carcinomului.    

Reducerea nivelului de oxigen din contaminantii oxidati creeaza produse inofensive (de exemplu, azot sgazt din azotat si nitriti, apa si clor din acid perclorhidric, etena si clor din tricloretilena) sau substanțe solide ușor de curatat.    

Bacteriile sunt capabile de a reduce nivelul de oxigen din toți acesti contaminanți, dat fiind ca acestea elibereaza electroni disponibili pentru materia biologica. In timp ce nu toate substantele functioneaza ca donori de elctroni pentru contaminantii oxidati, cercetarile au demonstrat ca toți contaminantii oxidati pot fi „redusi” atunci cand substanta care elibereaza electronii (donorul) este hidrogenul gazos.

Hidrogenul poate fi livrat bacteriilor indirect, prin fermentarea compusilor organici sau direct, prin difuzia cu ajutorul unui gaz de transfer. Astfel, detoxificarea contaminanților din apele reziduale se face prin „bio-reducere”, deoarece produsele rezultate sunt inofensive sau usor de inlaturat. Alte produse „reduse” sunt de mare valoare pentru societate, deoarece acestea sunt purtatori de energie, gata pentru a fi folosite.    

Diversele culturi de microbi pot transforma valoarea energetica a deseurilor in energie folosibila:

• Gazul metan (CH4) poate fi convertit prin ardere in energie electrica cu degajari relativ mici de bioxid de carbon sau oxid de azot. Ecologia biochimica si microbiana a formarii metanului din materia complexa organica sunt bine studiate, iar metanogeneza este o tehnologie demonstrata in cazul namolurilor și al apelor reziduale industriale.

Infrastructura de distribuire și utilizare a gazului metan sau a gazului natural este deja existenta in numeroase locatii; 

• Hidrogenul gazos (H2) este un produs alternativ de fermentație care, fața de gazul metan, prezinta avantajul ca poate fi utilizat in celulele de combustibil conventional, producand energie electrica nepoluanta; 

• Electricitatea poate fi produsa direct in celulele de combustibil microbian, evitandu-se etapa emisiei intermediare de hidrogen, obținandu-se energie electrica  fara ardere și nepoluanta, direct din bio-masa; 

• Fermentarea zaharului in vederea obținerii etanolului, o tehnologie microbiana practicata de mult timp, a revenit recent in centrul atenției, ca inlocuitor sau aditiv regenerabil al benzinei. Procesarea convenționala „in aval” pentru a produce etanol combustibil de calitate este o metoda mare consumatoare de energie, ceea ce face etanolul un biocombustibil controversat. 

• Biocombustibilul este o alternativa promițatoare a benzinei, putand fi produs direct din energia solara prin utilizarea cianobacteriilor și a algelor. Biocombustibilul este format din alcani (de la C16 pana la C18), aceștia fiind componenți ai lipidelor conținute de microbii care sintetizeaza hrana cu ajutorul luminii (fototrofi).          

Piata mondiala a Biotehnologiilor Mediului  

Biotehnologiile industriale si de mediu fac parte din sectoare industriale cheie, care fac tranzitia dintre sectoarele producatoare (de exemplu, produse IT, farmaceutice, chimice, auto, textile, alimentare, agricultura, etc.) catre modele de mediu mai ecologice și mai durabile (de exemplu, biocorectivi, biosenzori), fiind relevante pentru multe tari membre ale Organizatiei pentru Cooperare și Dezvoltare Economica. 

Capabilitatea biotehnologiilor de convertire a energiei in cadrul proceselor industriale, avand ca rezultate profitabilitate economica și ecologica, a determinat luarea de masuri prompte in cateva țari in direcția transformarii economiilor pe baze mai rezistente, durabile și ecologice. 

Accentul pus de tarile OECD pe biotehnologiile industriale consta in identificarea contributiei potențiale a acestor tehnologii la cresterea si dezvoltarea durabila, in identificarea si evaluarea masurilor politice de interventie in mecanismul cerere-oferta care pot ghida tranzitia catre o economie bazata pe ecologie.  

Organizatia pentru Cooperare si Dezvoltare Economica apreciaza ca proportia Biotehnologiilor de Mediu va creste la 15-25% din piata biotehnologica. Ca urmare, Biotehnologiile de Mediu constituie unul dintre sectoarele cu cel mai rapid ritm de devoltare, daca nu chiar cu cel mai ridicat ritm. 

Largirea pieței Biotehnologiilor de Mediu se datoreaza: 

1) acceptarii biotehnologiilor ca metode de dezvoltare a noi activitați industriale; 

2) aplicarii legislației care impune descoperirea de noi metode menite sa țina pasul cu dezvoltarea Biotehnologiilor de Mediu si 

3) tragicei realitați generate de distrugerea mediului.       

Probleme ridicate de Biotehnologiile de Mediu 

Cea mai importanta problema a companiilor active in sectorul Biotehnologiilor de Mediu este ca produsele lor nu pot fi folosite la scara larga, fiind specializate strict sau avand un spectru limitat de acțiune.

Principala cauza este ca metodele tradiționale biotehnologice nu erau considerate viabele din punct de vedere economic, fiind respinse de al inceput. Aceasta atitudine a redus gama acestor produse strict la cele care rezolva probleme punctuale.    

Intțiativele guvernamentale de promovare a creșterii continui a cercetarii Biotehnologiilor de Mediu au fost numeroase și importante. Se poate, asadar, concluziona ca Biotehnologiile de Mediu și aplicațiile lor caștiga teren, incet dar sigur, pentru acestea lumina semaforului fiind acum „verde”.   

Vezi si aici acest articol