Biotehnologiile de mediu

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

Biotehnologile mediului Biotehnologiile sunt tehnologii care utilizează procese bio-chimice, microbiologice şi mecanice în scopul valorificării proprietăţilor microorganismelor (celule recoltate de la plante sau animale şi ulterior cultivate) în domeniile industrial, agricol şi de mediu înconjurător (Federaţia Europeană a Biotehnologiilor 1988).

Domeniul Biotehnologiilor Mediului cuprinde aplicaţiile biotehnologiilor în rezolvarea problemelor de mediu - tratamentul deşeurilor lichide şi solide, tehnici de control al poluării, de reabilitare etc. Acest domeniu lucrează cu ecologia microbiană, care a progresat rapid în ultimii 20 de ani, prin dezvoltarea noilor tehnici genetice (ARN – acid ribonucleic şi ADN – acid dezoxiribonucleic) de descriere a structurii şi funcţiei culturilor microbiene. Metodele moleculare oferă informaţii amănunţite care ne ajută să înţelegem care anume sunt elementele vieţii microbiene ce pot fi folosite în acest scop. De multe ori, s-a dovedit a fi utilă folosirea însuşirilor microorganismelor în combinaţie cu materialele moderne sau cu procesele fizice şi chimice. În trecut, Biotehnologiile Mediului erau considerate de majoritatea specialiştilor ca făcând parte dintre aplicaţiile microbiologiei. Motivul era că, în mod tradiţional, biotehnologiile mediului foloseau activitatea microbiană pentru rezolvarea problemelor de mediu. Alţi specialişti erau de părere că biotehnologiile făceau parte mai degrabă dintre metodele de control al poluării biologice (bioremediere). În prezent, utilizarea biotehnologiilor mediului la scara întregii lumi a luat o amploare excepţională, mai ales în cazul ţărilor aflate în curs de dezvoltare.

Biotehnologiile Mediului folosesc culturile microbiene pentru a acoperi anumite nevoi ale societăţii. Majoritatea serviciilor oferite poate fi împărţită în două categorii importante: • culturile microbiene pot elimina elementele toxice contaminante din apă, sol, depuneri şi nămol, permiţând astfel societăţii refolosirea resurselor; • culturile microbiene pot converti valoarea energetică a deşeurilor (din deşeurile amestecate, sau cu compoziţie periculoasă, se obţin diferite tipuri de biomasă, care sunt folosite cu uşurinţă de către societatea umană: de exemplu, metan, hidrogen, electricitate, etanol şi biogaz).

Ambele categorii de servicii au ca element comun faptul că se bazează pe arderea dirijată a microbilor (oxidare microbiană catalizată) şi pe reacţiile chimice de reducere (scădere a nivelului de oxidaţie). Cu toate că fenomenele de oxidare şi reducere stau la baza vieţii,

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

microorganismele posedă capacităţi unice de a dezvolta energii de ardere şi reducere, energii care pot fi utile societăţii omeneşti . În acest sens, devine foarte important modul în care aceste servicii sunt gestionate. Aceasta implică de multe ori crearea unor sisteme tehnice care să combine însuşirile microorganismelor cu materialele moderne sau cu procesele fizice şi chimice. Din fericire, ingineria şi ştiinţa materialelor progresează în acelaşi ritm cu ecologia moleculară microbiană.

Astfel, înţelegerea noastră extinsă privind structura şi funcţia comunităţilor microbiene poate ţine pasul cu sistemele tot mai sofisticate de inginerie care gestionează structura comunităţilor, putând astfel fi direcţionată către obiective sociale.

Aplicaţiile Biotehnologiilor Mediului Utilizarea biotehnologiilor în tratarea poluării nu este o idee nouă. Societatea a folosit populaţiile complexe microbiene apărute în mod natural pentru curăţirea canalelor de peste un veac. Toate organismele vii – animale, plante, bacterii şi aşa mai departe – se hrănesc cu nutrienţi pentru a trăi, rezultând astfel deşeuri. Diferitele organisme consumă diferite tipuri de substanţe nutritive. De exemplu, anumite bacterii prosperă consumând componentele chimice ale unor deşeuri, iar unele microorganisme se hrănesc cu materiale toxice - clorură de metilen, detergenţi, creozot etc.

Multitudinea de moduri în care pot fi utilizate Biotehnologiile de mediu este practic nelimitată. Este deosebit de important, totuşi, să fie găsite şi aplicate întotdeauna soluţiile şi metodele optime, şi care nu necesită costuri ridicate de aplicare.

Activitatea metabolică a microorganismelor constituie baza sistemelor aplicării biotehnologiilor în tratarea poluării. Nu trebuie, de asemenea, ignorată importanţa cunoaşterii capacităţilor metabolice ale microorganismelor, pentru a face posibile orice asemenea aplicaţii.

Cele mai importante aplicaţii ale Biotehnologiilor Mediului în prezent sunt: 1. Măsurătorile de mediu Exemple: Detectoare de lanţuri ADN (sonde ADN), care sunt specializate pentru detectarea prezenţei acizilor nucleici şi a organismelor patogene în sondele de mediu; Biosenzorii folosiţi la detectarea organismelor patogene şi a factorilor de poluare.

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

2. Controlul poluării sistemelor de mediu degradate; Biotehnologiile Mediului utilizează metode biologice pentru reabilitarea unor terenuri care pot fi populate sau pot fi utilizate în alte moduri, precum şi pentru controlul poluării sistemelor acvifere poluate sau eutrofizate (lacuri şi bălţi îmbogăţite cu materii organice şi cu substanţe nutritive nitraţi, fosfaţi etc. - sărăcite astfel de oxigenul necesar vieţii acvatice; 3. Tratamentul apelor poluate Exemple: Tratamentul deşeurilor umede şi solide. O mare parte din deşeurile orăşeneşti şi industriale sunt materiale care ar trebui să fie tratate înainte de a fi returnate în natură; astfel, Biotehnologiile Mediului permit aplicarea unor noi metode de tratament, mult mai ieftine şi mai prietenoase pentru mediu; Transformarea deşeurilor în substanţe cu o mare valoare nutritivă.

Transformarea gunoiului ecologic sau a deşeurilor industriale în alimente pentru animale cu valoare nutritivă mare; 4. Aplicarea unor procese şi metode industriale care evită sau limitează poluarea mediului Biotehnologiile pot ajuta la dezvoltarea unor metode nepoluante de producţie a unor bunuri: 1. Folosirea unor produse naturale (fermenţi sau bacterii) în industria producătoare de piele, textile sau tratarea hârtiei; 2. Producţia plasticului reciclat din microorganisme care pot înlocui plasticul sintetic utilizat în prezent (care nu poate fi reciclat); 3. Producţia de îngrăşăminte şi produse medicinale pentru agricultură; 4. Producţia de energie din surse neconvenţionale – bioetanol, biogaz, hidrogen biologic.

Valoarea produselor cu nivel redus de oxigen.

Biotehnologiile Mediului folosesc, în primul rând, oxidarea contaminanţilor cu nivel scăzut de oxigen. Tehnologiile tradiţionale de tratament al apelor reziduale (precum nămolurile activate) sunt de fapt mijloace de oxidare şi consum de oxigen aplicate înainte ca apele tratate să fie întoarse în circuitul natural al apei. Acest concept se aplică nu numai apelor reziduale urbane, dar şi în tratarea apelor reziduale industriale, în remedierea deversărilor şi scurgerilor de petrol şi în stabilizarea biologică a apei potabile. În prezent, inginerii de mediu şi oamenii de ştiinţă au înţeles că multe dintre cele mai mari provocări pentru recuperarea calităţii apei sunt strâns legate de oxidarea contaminanţilor, sau de agenţii poluanţi care nu donează elctroni, ci doar primesc. Lista contaminanţilor oxidaţi este lungă. Câţiva dintre cei mai importanţi contaminanţi oxidaţi sunt:

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

• Nitraţii (NO3 -) şi nitriţii (NO2 -), proveniţi din apele reziduale şi din depozitele de îngrăşăminte; cauzează methemoglobinemia la sugari şi provoacă eutrofizarea culturală a apelor; • Percloraţii (ClO4 -), proveniţi din combustibilul rachetelor, alţi combustibili de propulsie, un anumit îngrăşământ din Chile; afectează funcţia tiroidiană şi perturbează echilibrul chimic endocrin; • Selenaţi (SeO4 2-), proveniţi din centralele electrice pe cărbune, rafinării de petrol, topitorii de metal şi anumite soluri irigate; cauzează probleme funcţiei de reproducere ;* • Cromaţi (CrO4 3-), proveniţi din procesele de galvanizare, minerit şi prelucrarea de combustibili fosili; provoacă daune la ficat şi rinichi; • Arsenaţi (H2AsO4 -), prezenţi în anumite solurui; provoacă daune gastrointestinale, stop cardiac şi cancer; • Solvenţi pe bază de clor, preum tricloretilena, folosiţi ca dizolvanţi sau agenţi de curăţare în industrie şi comerţ; sunt suspecţi sau cunoscuţi ca factori cauzatori ai carcinomului.

Reducerea nivelului de oxigen din contaminanţii oxidaţi creează produse inofensive (de exemplu, azot [gaz] din azotat şi nitriţi, apă şi clor din acid perclorhidric, etenă şi clor din tricloretilenă) sau substanţe solide uşor de curăţat.

Bacteriile sunt capabile de a reduce nivelul de oxigen din toţi aceşti contaminanţi, dat fiind că acestea eliberează electroni disponibili pentru materia biologică. În timp ce nu toate substanţele funcţionează ca donori de elctroni pentru contaminanţii oxidaţi, cercetările au demonstrat că toţi contaminanţii oxidaţi pot fi „reduşi” atunci când substanţa care eliberează electronii (donorul) este hidrogenul gazos. Hidrogenul poate fi livrat bacteriilor indirect, prin fermentarea compuşilor organici sau direct, prin difuzia cu ajutorul unui gaz de transfer.

Astfel, detoxificarea contaminanţilor din apele reziduale se face prin „bio-reducere”, deoarece produsele rezultate sunt inofensive sau uşor de înlăturat. Alte produse „reduse” sunt de mare valoare pentru societate, deoarece acestea sunt purtători de energie, gata pentru a fi folosite.

Diversele culturi de microbi pot transforma valoarea energetică a deşeurilor în energie folosibilă: • Gazul metan (CH4) poate fi convertit prin ardere în energie electrică cu degajări relativ mici de bioxid de carbon sau oxid de azot. Ecologia biochimică şi microbiană a formării metanului din materia complexă organică sunt bine studiate, iar metanogeneza este o tehnologie demonstrată în cazul nămolurilor şi al apelor reziduale industriale. Infrastructura de distribuire şi utilizare a gazului metan sau a gazului natural este deja existentă în numeroase locaţii; • Hidrogenul gazos (H2) este un produs alternativ de fermentaţie care, faţă de gazul metan, prezintă avantajul că poate fi utilizat în celulele de combustibil convenţional, producând energie electrică nepoluantă;

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

• Electricitatea poate fi produsă direct în celulele de combustibil microbian, evitându-se etapa emisiei intermediare de hidrogen, obţinându-se energie electrică fără ardere şi nepoluantă, direct din bio-masă; • Fermentarea zahărului în vederea obţinerii etanolului, o tehnologie microbiană practicată de mult timp, a revenit recent în centrul atenţiei, ca înlocuitor sau aditiv regenerabil al benzinei.

Procesarea convenţională „în aval” pentru a produce etanol combustibil de calitate este o metodă mare consumatoare de energie, ceea ce face etanolul un biocombustibil controversat.

• Biocombustibilul este o alternativă promiţătoare a benzinei, putând fi produs direct din energia solară prin utilizarea cianobacteriilor şi a algelor. Biocombustibilul este format din alcani (de la C16 până la C18), aceştia fiind componenţi ai lipidelor conţinute de microbii care sintetizează hrana cu ajutorul luminii (fototrofi).

Piaţa mondială a Biotehnologiilor Mediului Biotehnologiile industriale şi de mediu fac parte din sectoare industriale cheie, care fac tranziţia dintre sectoarele producătoare (de exemplu, produse IT, farmaceutice, chimice, auto, textile, alimentare, agricultură, etc.) către modele de mediu mai ecologice şi mai durabile (de exemplu, biocorectivi, biosenzori), fiind relevante pentru multe ţări membre ale Organizaţiei pentru Cooperare şi Dezvoltare Economică.

Capabilitatea biotehnologiilor de convertire a energiei în cadrul proceselor industriale, având ca rezultate profitabilitate economică şi ecologică, a determinat luarea de măsuri prompte în câteva ţări în direcţia transformării economiilor pe baze mai rezistente, durabile şi ecologice.

Accentul pus de ţările OECD pe biotehnologiile industriale constă în identificarea contribuţiei potenţiale a acestor tehnologii la creşterea şi dezvoltarea durabilă, în identificarea şi evaluarea măsurilor politice de intervenţie în mecanismul cerere-ofertă care pot ghida tranziţia către o economie bazată pe ecologie.

Organizaţia pentru Cooperare şi Dezvoltare Economică apreciază că proporţia Biotehnologiilor de Mediu va creşte la 15-25% din piaţa biotehnologică. Ca urmare, Biotehnologiile de Mediu constituie unul dintre sectoarele cu cel mai rapid ritm de devoltare, dacă nu chiar cu cel mai ridicat ritm.

Lărgirea pieţei Biotehnologiilor de Mediu se datorează: 1) acceptării biotehnologiilor ca metode de dezvoltare a noi activităţi industriale; 2) aplicării legislaţiei care impune descoperirea de noi metode menite să ţină pasul cu dezvoltarea Biotehnologiilor de Mediu şi

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

3) tragicei realităţi generate de distrugerea mediului.

Probleme ridicate de Biotehnologiile de Mediu Cea mai importantă problema a companiilor active în sectorul Biotehnologiilor de Mediu este că produsele lor nu pot fi folosite la scară largă, fiind specializate strict sau având un spectru limitat de acţiune. Principala cauză este că metodele tradiţionale biotehnologice nu erau considerate viabele din punct de vedere economic, fiind respinse de al început. Această atitudine a redus gama acestor produse strict la cele care rezolvă probleme punctuale.

Iniţiativele guvernamentale de promovare a creşterii continui a cercetării Biotehnologiilor de Mediu au fost numeroase şi importante. Se poate, aşadar, concluziona că Biotehnologiile de Mediu şi aplicaţiile lor câştigă teren, încet dar sigur, pentru acestea lumina semaforului fiind acum „verde”.