חיידקים כטיפול ביוכימי

תקציר

קרקע מזוהמת פוגעת באורגניזמים שונים בסביבה: בריאות בני אדם, בעלי חיים, צמחיה ועוד. על כן טיפול בקרקעות מזוהמות הוא אחד הנושאים החשובים העומדים על הפרק כיום במדינות שונות בעולם. בשנה האחרונה על פי הועידה האירופאית דווח על יותר מ2.5 מיליון אזורים בעלי פוטנציאל להיות כקרקעות מזוהמות בין 38 מדינות אירופאיות ו342,000 אזורים זוהו כאזורים מזוהמים ומספר זה רק הולך וגדל (על פי GSF – Global Soil Forum ). על כן יש צורך במניעה וטיפול באותם קרקעות. ישנן שיטות שונות ומגוונות לטיפול בקרקעות אלו, אולם מאמר זה עוסק בשימוש בחיידקים ככלי לטיפול ביוכימי בנושא זה.

מבוא

קרקע מוגדרת כתערובת של מינרלים, חומרים אורגנים, מים ואוויר המצויים בשכבה העליונה של קרום כדור הארץ. היא משאב חיוני המשמש את האורגניזמים השונים המצויים בסביבה באספקטים רבים ומגוונים, בין היתר מהווה כבית גידול לחי ולצומח ומשמש לצורכי בנייה ופיתוח, חקלאות, מסחר ותעשייה ועוד. כתוצאה של חלק מהשימושים שהוזכרו לעיל וכאשר לא ננקטים אמצעים מתאימים עלול להיווצר זיהום בקרקע. קרקע מזוהמת מוגדרת ככזאת שריכוז חומר מסוים באדמה גבוה יותר ממה שאמור להיות באופן טבעי. משרד איכות הסביבה אף מגדיר אותה כאחת שמהווה סיכון לציבור ולסביבה כפי שנקבע ע"י IRBCA  (מתודולוגיה לביצוע סקרי סיכונים לקרקע ולמים בישראל  Israel Risk Based Corrective Action). אורגניזמים שונים, כגון בני אדם ובעלי חיים, עלולים להיחשף לאותם חומרים מזיקים ע"י שאיפת גזי קרקע או מגע עם אותה קרקע וכך להיפגע. זאת ועוד חומרים מזהמים בקרקע עלולים להגיע למקורות מים שונים וכך לגרום לזיהום מי שתייה. בשל סיכונים אלו יש צורך במניעה וטיפול בקרקעות הללו. הטכניקה הקונבנציונלית לטיפול הינה חפירת האדמה המזוהמת והעברתה למטמנה. שיטה נוספת הינה כיסוי והכלה של אותם אזורים אשר מזוהמים באתר. לשיטות אלו ישנן מספר חסרונות. השיטה הראשונה שהוצגה משמעותה העברת האדמה המזוהמת למקום אחר, דבר שיכול להוביל לסיכונים רבים בעיקר בהעברת החומרים המזיקים, בחפירה הארכיאולוגית ובאחזקה של אותם חומרים. בנוסף זה מאוד מורכב ויקר למצוא אזורי מטמנות חדשות לשם התפטרות סופית שלהם. השיטה של הכיסוי והכלה הינו פתרון ביניים, מכיוון שהזיהומים נשארים באתר ודורשים השגחה ואחזקה של המיכלים המבודדים, דבר אשר מתבטא בעלות גבוהה. מה גם שהפתרון הנ"ל הוא לא יעיל ומוחלט לאותה בעיה שהוצגה. גישה טובה יותר משיטות אלו היא להרוס כליל את המזהמים אם אפשרי או לפחות להפוך אותם לחומרים פחות מזיקים. כמה מהטכנולוגיות שבוצעו הינם: אפרור בטמפ' גבוהה (שריפה של חומר והפיכתו לאפר), וסוגים שונים של פירוקים כימיים כדוגמת חמצון UV. שיטות אלו יכולות להיות מאוד יעילות בהורדת טווח רמות הסיכון של המזהמים. אולם לשיטות אלו מספר חסרונות. הטכנולוגיה שלהם מסובכת, עלות התהליך גבוהה ובעיקר חוסר הסכמת הציבור בייחוד לאפרור, אשר יכול לעלות את החשיפה למזהמים גם לעובדים וגם לתושבי הסביבה הקרובה. טיפול ביולוגי היא אפשרות שמציעה להרוס או להפוך את המזהמים השונים לחומרים פחות מזיקים ע"י שימוש בפעילות ביולוגית טבעית. מחירים נמוכים, שיטות פשוטות יחסית מבחינה טכנולוגית והסכמת כלל הציבור לבצע פעולות אלו באזור האתר הם רק חלק מהיתרונות של שיטה זו. למרות שהמתודולוגיה אינה מסובכת טכנית, יש צורך בידע, ניסיון ומומחיות על מנת לעצב תוכנית לטיפול שכזה, זאת בשל הרצון להתאים את הפעילות לאזור ולאפשר תנאים אופטימאליים בכדי לקבל תוצאות מספקות. טיפול ביולוגי משומש במספר אזורים ברחבי העולם כולל אירופה. שיטה זו אובחנה ככלי בעל הצלחה רבה. עם הידע הרב והניסיון הטכניקות משתפרות ואין שום ספק ששיטה זו היא בעלת פוטנציאל להתמודדות עם סוגים שונים של קרקעות מזוהמות. יחד עם זאת יש לציין שהטיפול הנ"ל לא תמיד מתאים כיוון שטווח המזהמים הינו מוגבל והזמן שלוקח לטיפול יחסית ארוך בהשוואה לשאר השיטות. חשוב לציין שישנם קרקעות מסוגים שונים, בתנאי סביבה שונים דבר הבא לידי ביטוי ביחסי כמויות שונים של החומרים המרכיבים אותם. על כן סוגי אורגניזמים שונים פועלים באותן קרקעות, כאשר פרמטרים שונים משפיעים על התהליכים הנ"ל, בינם: טמפ', סוג הקרקע, מליחות, PH, נוכחות חמצן או מקבל אלקטרונים אחר, נוטרינטים, לחצים חלקים של הגזים ועוד. חלק מהבדיקות המוצגות במאמר מבוססות על פירוק אורגני  וחלק על פירוק אנאורגאני.

עקרונות שיטת הטיפול הביולוגי

ביוטכנולוגיה סביבתית הינו תחום רחב שנעשה בו שימוש במגוון אופקים, בין היתר לשם טיפול במזהמים אשר מצויים באוויר, בים וביבשה. טיפול ביולוגי מוגדר כשימוש באורגניזמים לשם הפיכת מזהמים סביבתיים לצורות פחות מזיקות ע"י תהליכים ביוכימיים. לשם השגת מטרה זו ישנו שימוש נרחב בבקטריות, פטריות וצמחים, אולם מאמר זה עוסק בעיקר במיקרואורגניזמים השונים. מיקרואורגניזמים יכולים להיות מבודדים מאזור אחר ומובאים לאותו אזור מזוהם לשם הגברת הטיפול, תהליך הקרוי אוגמנטציה ביולוגית או לחלופין להמצאות באופן טבעי באותו אתר מזוהם. תרכובות מזוהמות עוברות טרנספורמציה ע"י אותם מיקרואורגניזמים דרך ריאקציות שלוקחות חלק בתהליכים המטבולים שלהם. יש לציין שבדרך כלל התהליך מתרחש כתוצאה ממספר פעולות של מספר מיקרואורגניזמים שונים. על מנת שהטיפול הביולוגי יהיה אפקטיבי, מיקרואורגניזמים חייבים לתקוף את המזהמים באופן אנזימתי ולהפוך אותם לתוצרים פחות מזהמים. בכדי שזה יקרה  יש לאפשר תנאים סביבתיים מתאימים לשם פעילות וגדילה מיקרוביאלית מתאימה. כמו כל טכנולוגיה לטיפול ביולוגי יש את המגבלות שלו. ישנם מזהמים כמו תרכובות פחמימנים ארומאטיות או תרכובות אורגניות המכילות כלור אשר מתנגדות להתקפה המיקרוביאלית ובכך מקשות על כל התהליך. תרכובות אלו או שהן מתפרקות באיטיות רבה או שבכלל לא. מערכות ביולוגיות אלו יכולות לעבוד תחת תנאים אירוביים או אנאירוביים

שימוש באוכלוסייה המיקרוביאלית לשם תהליך הטיפול הביולוגי:

מיקרואורגניזמים מצויים כמעט בכל סביבה הקיימת ביקום, ומתקיימים תחת תנאים קיצוניים. הם גדלים בטמפ' נמוכות מאוד, גבוהות מאוד, בתנאי מדבר, עם ובלי נוכחות חמצן, באזורים בעלי מליחות גבוהה או נמוכה, ב-PH נמוך או גבוה, במים, באוויר, באזורים מזוהמים ועוד. עם התפתחות האבולוציה הם הצליחו להסתגל לתנאיי סביבה שונים. אולם, הדרישות היחידות לתהליך הטיפול הביולוגי הינם: מקור אנרגיה ומקור פחמן זמינים. את מיקרואורגניזמים אלו ניתן לסווג למספר קבוצות"

אירוביים – אורגניזם החי ומתקיים בנוכחות חמצן.

Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus ו- Mycobacterium הינם בקטריות אשר מזוהות ככאלו בעלי יכולות דגרדציה. חיידקים אלו דווחו ככאלו שיכולים לפרק אלקנים (קבוצה פונקציונאלית של תרכובות אורגניות בעלת נוסחא  CnH2n  ) ותרכובות פוליארומטיות. רבים מהבקטריות שהוצגו משתמשות במזהמים כמקור אנרגיה ופחמן יחיד.

אנאירוביים – אורגניזם החי ומתקיים ללא נוכחות חמצן.

אחת הבעיות הסביבתיות החמורות היום הינה זיהום פחמימני נפט של מי-קרקע בתנאים אנארוביים. כתוצאה מכך יש פגיעה בשרשרת המזון הקשורה לאזורים אלו, כך למשל דפנות מערכת העיכול של ציפורים הניזונים מדגים שחלו או מתו כתוצאה מחשיפת יתר לנפט נאטמות, דבר המונע את ספיגת המזון שלהם. כידוע רוב מרכיבי הנפט והמים לא מתערבבים וכך נוצרות שתי פאזות נפרדות. אולם החיידק החי על הנפט כמקור מזון תלוי גם בסביבה המימית, המספקת לו חמצן, תרכובות זרחן ויסודות רבים אשר הוא זקוק להם, וגם בסביבה השומנית המשמשת לו כמקור פחמני. על כן בד"כ החיידקים מתיישבים באזור בין שטח פני המים לפני טיפת השמן וכך נהנים מכל העולמות. מה שמאפשר להם זאת זה קיום של תרכובות הידרופיליות (אוהבי מים) והידרופוביות (שונא מים) על פני הקרום החיצוני של התא. תכונה נוספת שהקנתה יתרון לחיידקים אלו היא הכושר ליצור חומרים פעילים כמו דטרגנטים ולהפרישם לסביבת החיידק. כמו סבון הם גורמים לפירוק השומנים למספר רב של טיפות שמתפזרות בשכבה המימית ויוצרות תחליב. ככל שהטיפות קטנות גדל שטח הפנים ביחס לנפח הטיפה וכך לחיידק יש יותר מקום פעולה.

ישנה גם עלייה בשימוש בחיידקים אנאירוביים בסדימנטים של נהרות PCB – Polychlorinated Biphenyls, ודי כלורינציה של הסולבנט טריכלורואתילן – TCE – Trichloroethylene.

Methylotrophs– חיידקים אירוביים שגדלים ע"י שימוש במתאן כמקור אנרגיה ופחמן. האנזים הראשוני בדרך של הפירוק האירובי הינו MMO – methane monooxygenase, ולו יש טווח סובסטרטים רחב. אנזים זה פעיל נגד מספר רב של תרכובות כולל chlorinated aliphatics trichloroethylene ו- 1,2-dichloroethane.

חשוב לציין שעל מנת שיכול תהליך הפירוק הבקטריה חייבת לבוא במגע עם המזהמים, זה דבר שלא תמיד קל להשיגו, וזאת בשל כך שהחיידקים והמזהמים לא מפוזרים בצורה אחידה באדמה. יש אפשרות להגביר את תנועה של החיידקים לכיוון המזהם ע"י שימוש בחומרים פעילי שטח – Surface Active Agent כמו SDS – Sodium Dodecyl Sulphate.

פקטורי הסביבה המשפיעים על הטיפול הביולוגי:  

למרות קיום של מיקרואורגניזמים בקרקעות מזוהמות אין זה וודאי שהם צריכים להיות במספרים הדרושים לשם טיפול ביולוגי של האזור, וזאת בשל כך שניתן לספק להם את התנאים המתאימים לשם פעילות וגדילה באתר. על מנת להשיג מטרה זו בד"כ מוסיפים נוטרינטים וחמצן בכדי לעזור למיקרואורגניזמים המצויים באופן טבעי באזור. נוטרינטים אלו הם אבני הבניין הבסיסים של חייהם ומאפשרים להם ליצור את האנזימים הנחוצים לשם טיפול במזהמים. חנקן, זרחן ופחמן הכרחיים לשם כך. בהשוואה לשאר האלמנטים פחמן הינו האלמנט הכי בסיסי של צורות החיים ויש בו צורך בכמויות הגדולות ביותר (ראה טבלה 2). בנוסף למימן, חמצן וחנקן הוא מרכיב 95% ממשקל התאים. גופרית וזרחן תורמים 70% מהנותר.

כפי שצוין הגדילה והפעילות של החיידקים מושפעים ע"י PH, טמפ' ולחות. למרות שהם בודדו בתנאים קיצונים רובם גדלים בצורה מיטבית בטווח קצר ולכן חשוב להשיג תנאים אופטימאליים. הטמפ' משפיעה על קצבי הריאקציות הביוכימיות והקצב של רובם מוכפל לכל תוספת של 10 מעלות צלזיוס, אך חשוב לציין שלא בכל המקרים נכון הוא הדבר. מעל לטמפ' מסוימת התאים עלולים למות. מים זמינים חיוני לכל האורגניזמים החיים, לכן השקיה חשובה להשגת רמת לחות אופטימאלית. כמות החמצן הזמינה תקבע האם המערכת אירובית או אנאירוביות. פחמימנים מפורקים תחת תנאים אירוביים ואילו תרכובות כלור מפורקים רק בתנאים אנאירוביים. לשם עליית כמות החמצן באדמה ניתן להזליף אוויר. בחלק מהמקרים מימן פרוקסידי או מגנזיום פרוקסידי יכולים להיות מוספים לסביבה לשם הגברת הפעילות. המבנה של האדמה משפיע על משלוח האוויר, המים והנוטרינטיים לאזור. לשם שיפור מבנה האדמה מוסיפים חומרים כגון חומרים אורגניים. חדירות אדמה נמוכה עלולה לעכב תנועה של מים, נוטרינטים וחמצן. על כן אדמות שכאלו יכולות לא להתאים לטכניקות אין סיטו (בחינת התופעה במקום בו היא מתרחשת).

אסטרטגיות הטיפול הביולוגי:

ישנם מספר טכניקות לשם טיפול ביולוגי אשר תלויים ברמת הסטורציה ואספקת החמצן באזור. במאמר זה נתמקד בשיטות אין סיטו In-situ המוגדרות ככאלו שמופעלות באדמות ומי קרקע באזור ללא התערבות או התערבות מינימאלית. ותהליכי Ex-situ, טכניקות שמופעלות על מי קרקע בשאיבה או אדמות שהועברו בחפירות מאזור מסוים. בעשור האחרון חלה התקדמות עצומה בשיטות הטיפול in-situ והן הפכו אפקטיביות ויעילות יותר, דוגמאות לכך ניתן למצוא בפרויקטים שונים של חברת איזיטופ ומומחיה בשיתוף פעולה עם המשרד להגנת הסביבה בטיפולים בערמות מזוהמות ברחבי הארץ (ראה איור 1). (ניתן לקרוא על הפרויקטים השונים באתר: www.easytop.co.il).

טיפול אין סיטו – In-Situ

טכניקות אלו מאוד מבוקשות בשל המחירים הנמוכים בשימוש בהן ובשל כך שאין צורך בחפירות ארכיאולוגיות למעבר המזהמים. אולם, הטיפול מוגבל ותלוי בעומק האדמה: בין מספר סנטימטרים ל30 ס"מ וזאת משיקולי דיפוזיה יעילה של החמצן. למרות זאת ישנם מקרים בהם טיפול יעיל התרחש גם ב60 ס"מ ומעלה. להלן מוצגים חלק מהשיטות והטכניקות החשובות ביותר:

• Bioventing – אחת מהשיטות היותר נפוצות. היא נעשית ע"י אספקת אוויר ונוטריינטים דרך בארות לאדמות מזוהמות במטרה להמריץ את הפעילות של החיידקים באזור. אוורור ביולוגי מפעיל קצבי אוויר נמוכים ומספק את כמות החמצן הדרושה לשם הטיפול הביולוגי. בנוסף היא מקטינה את התנדפות ושחרור של מזהמים לאטמוספרה. שיטה זו יעילה במקומות בהם הזיהום מצוי עמוק מתחת לפני השטח.
• In situ biodegradation – טיפול זה נעשה ע"י סיפוק חמצן ונוטריינטים באמצעות הנעה במחזור של תערובות מימיות לאדמות מזוהמות לשם הגברת הפעילות הטבעית של הבקטריות לפירוק מזהמים אורגניים.
• Biosparging – שיטה זו עוסקת בהזרקת אוויר תחת לחץ על מנת לעלות את ריכוזי החמצן ולהאיץ את קצב פעילות הפירוק הביולוגי של מזהמים ע"י בקטריות. שיטה זו פשוטה וזולה ולכן מאוד יעילה.

טיפול ביולוגי Ex-situ:

טכניקות אלו מערבות חפירות או הסרה של אדמה מזוהמת מהקרקע.

• Landfarming – טכניקה פשוטה בה קרקע מזוהמת מפוזרת במצע מתאים ונחרשת באופן מחזורי עד שהמזהמים מתפרקים. המטרה היא להגביר את הפעילות של החיידקים באזור ולהקל על הפירוק האירובי של המזהמים.
• Composting –  טכניקה אשר משלבת בין אדמה מזוהמת לחומרים אורגניים כמו דשן או זבל חקלאי. חומרים אורגניים אלו תומכים בהתפתחות האוכלוסייה המיקרוביאלית ע"י סיפוק מקורות מזון.
• Biopiles – הכלאה של שתי השיטות הקודמות. התאים מהונדסים גנטית ומשומשים לטיפול במזהמים הקשורים לפחמימנים של נפט. שיטה זו מתאימה למיקרואורגניזמים אירוביים ואנאירוביים.
• Bioreactors – ריאקטור הינו כלי בו מתבצעות תגובות ביוכימיות. אדמה מזוהמת מוכנסת לתוך ריאקטור מימי או ריאקטור שמכיל תערובת דלילה של מים וחומר מוצק. לריאקטור כלי קיבול ומערכת שמשומשת לשם יצירת 3 פאזות (מוצק, נוזל וגז) ומאפשרת את כל התנאים הנחוצים להעלאת קצב הטיפול ע"י הביומסה (המיקרואורגניזמים הטבעיים) המצויה בריאקטור.

לכל שיטה שהוצגה לעיל יש יתרונות וחסרונות ועל כן שיטות מסוימות יכולות להמצאות מתאימות בסביבות שונות, בתנאים שונים ועל פי הרכב הקרקע

מסקנות

אחד הנושאים העיקריים המעסיקים את עולם ההנדסה הסביבתית הינו קרקעות מזוהמות וכל הקשור בזה. ברחבי העולם ישנם המון קרקעות מזוהמות, דבר אשר פוגע באורגניזמים השונים החיים בסביבה, ביניהם בעלי חיים ובני אדם. מחקרים רבים עוסקים בפגיעה של חומרים מזהמים שכאלו בבריאות בני האדם. על כן יש צורך למצוא פתרונות יעילים למצב זה. ישנן טכניקות ושיטות רבות לשם כך. אולם לכל שיטה יש יתרונות וחסרונות ועל כן שיטה מסוימת יכולה להימצא כמתאימה ואילו אחרת לא. הדבר תלוי בתנאים הסביבתיים (PH, טמפ' ולחות), בהרכב הקרקע ובתנאי פני השטח.

מאמר זה עוסק בשימוש במיקרואורגניזמים לשם טיפול ביולוגי בקרקעות מזוהמות. שיטה זו נמצאה כאפקטיבית כנגד מגוון מזהמים, ולה מספר יתרונות וחסרונות.

היתרונות הינם: שיטה פשוטה יחסית, משתלמת מבחינה כלכלית (זולה), וישנו קונצנזוס בקרב הציבור לשימוש בה (לעומת שיטות כימיות, כמו שריפת המזהמים שעלולה לפגוע באטמוספרה ובאזרחים הגרים קרוב לאתר המזוהם).

יחד עם זאת קיימים מספר חסרונות: ישנם מזהמים ותרכובות שלא ניתנים לפירוק ע"י המיקרואורגניזמים, השיטה היא מאוד ספציפית ולוקחת המון זמן.

למרות חסרונות אלו כיום יש שימוש נרחב בשיטה בשל יתרונותיה הרבים. על מנת להמשיך לפתח את השיטה יש צורך במחקרים נוספים.