58The European Journal of Mineral P

58
The European Journal of Mineral Processing and Environmental Protection
Vol.3, No.1, 1303-0868, 2003, pp. 58-66
Review
Basic concepts on heavy metal soil bioremediation
C. Garbisu
1
* and I. Alkorta
2
1
Department of Agrosystems and Animal Production, NEIKER, A.B.-Basque Institute of Agricultural Research
and Development, c/ Berreaga, 1; E-48160 Derio, Spain
2
Unidad de Biofísica, Centro Mixto CSIC-UPV/EHU, P. O. Box 644; E-48080 Bilbao, Spain
Received 30 June 2002; accepted 12 January 2003
ABSTRACT
The utilization of organisms, primarily microbes, to clean up contaminated soils, aquifers, sludges,
residues, and air, known as “bioremediation”, is a rapidly changing and expanding area of environmental
biotechnology, that offers a potentially more effective and economical clean-up technique than
conventional physicochemical methods. Although it is certain that up to now the technologies employed
are not technically complex, considerable experience and expertise is required to design and implement a
successful bioremediation program. As a matter of fact, and since bioremediation frequently addresses
multiphasic, heterogenous environments (i.e., soils), successful bioremediation is dependent on an
interdisciplinary approach involving such disciplines as microbiology, engineering, ecology, geology, and
chemistry. The bio-enthusiasm of the early years that followed the initial promising research results and
inspired the creation of many remediation companies has ended in a more realistic and sometimes even
sceptical view of bioremediation since it has now become clear that results obtained in the laboratory do
not necessarily indicate what may happen actually in the field, since it is not possible to simulate all the
changing conditions of a real situation.
Most traditional remediation methods do not provide acceptable solutions for the removal of metals
from soils. Microorganisms that use metals as terminal electron acceptors, or reduce metals as a
detoxification mechanism can be used for the removal of metals from contaminated environments. In some
cases, phytoextraction of metals is a cost-effective approach that uses metal-accumulating plants to clean
up metal polluted soils. © 2003 SDU. All rights reserved.
Keywords: Soil; Metals; Bioremediation; Phytoremediation; Environmental
1. INTRODUCTION
The quality of life on Earth is linked inextricably to the overall quality of the environment. It
is very difficult to define soil quality, as soil composition can vary from place to place. Soil
quality is concerned with more than the soil’s constituents and composition, but how it
functions in a specific environment. The major functions of a soil are generally recognized to
include the ability to protect water and air quality, the ability to sustain plant and animal
productivity, and the ability to promote human health (Doran and Parkin, 1994; Chen and Mulla,
1999).
The release of contaminants into the environment by human activities has increased
enormously over the past several decades. In fact, although a few decades ago, man’s greatest
challenge resided in speeding up the industrialization process, today man attempts to find ways
to deal with the growing industrialization and the associated problems (Thassitou and
Arvanitoyannis, 2001). The relatively sudden introduction of pollutants into the recipient
ecosystems has clearly overwhelmed their self-cleaning capacity and, as a consequence,
resulted in the accumulation of pollutants. Soil pollution has recently been attracting
* Corresponding author. E-mail: [e-mail]
59
C. Garbisu and I. Alkorta / The European Journal of Mineral Processing and Environmental Protection
Vol.3, No.1, 1303-0868, 2003, pp. 58-66
considerable public attention since the magnitude of the problem in our soils calls for immediate
action.
The large-scale production of a variety of chemical compounds, such as organic solvents,
fuels and fuel additives, pesticides, plasticizers, pigments, dyes, plastics and chemical
feedstocks, has caused global deterioration of environmental quality (Garbisu and Alkorta,
1997; Iwamoto and Nasu, 2001).
Contaminated soils are a common environmental problem all over the world. The various
countries confronted with contaminated soil differ considerably in awareness of the problem
and in the policies and the technologies to tackle it (Rulkens et al., 1998). Nonetheless,
intensive exchange of experiences gained with the management and remediation of polluted
soils is taking place among the various countries.
As a matter of fact, increasingly widespread pollution has caused vast areas of land to
become non-arable and hazardous for both wildlife and human populations. Contaminated
lands generally result from past industrial activities when awareness of the health and
environmental effects connected with the production, use, and disposal of hazardous
substances were less well recognized than today (Vidali, 2001). Unfortunately, the enormous
costs associated with the removal of pollutants from soils by means of traditional
physicochemical methods have been encouraging companies to ignore the problem (Alkorta
and Garbisu, 2001).
In addition to minimizing the impact of future incidents by means of controlling soil pollution
input (developing a long-term perspective of pollution amelioration measures that focus on
slowing the rate of pollution increase), it is imperative to deploy innovative technologies which
could economically remediate toxic wastes adversely impacting our environment, thereby
reducing the threat to human health and the environment (Garbisu and Alkorta, 1997).
In the last few years, disquiet among ordinary people has grown and the public is now
strongly demanding clean-up measures to be urgently introduced. In this context, governmental
recognition of the accumulating hazards has resulted in legislative restrictions on uncontrolled
discharges of wastes and actions mandating environmental restoration of hazardous waste
sites. This recent environmental awareness has highlighted the need for new technologies for
the treatment of these wastes.
2. WHAT IS BIOREMEDIATION?
Traditional physicochemical processes for remediation of soil polluted sites are expensive
and often do not permanently alleviate the pollution hazard. The most common conventional
techniques used for remediation are: (i) excavation and disposal to a landfill, and (ii) to cap and
contain the contaminated areas of a site.
Apart from the fact that it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill
sites for the final disposal of the material, the first method simply moves the contamination
elsewhere (with the possibility of creating risks during the excavation, handling, and transport of
hazardous material), while the second is only an interim solution since the contamination
remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers (Vidali, 2001).
Other methods such as incineration lack public acceptance since they can increase the
exposure to contaminants of both the workers at the site and nearby residents. Some other
techniques that are in various stages of development are the following: extraction of pollutants
with organic solvents or CO2
, oxidation of organic pollutants under subcritical or supercritical
conditions, vitrification, electroreclamation, dehalogenation of chlorinated organic compounds
using an alkali polyethylene glycol, chemical reduction or oxidation of contaminants, steam
stripping, plasma torch techniques, microwave heating, solidification/stabilisation, and so on
(Rulkens et al., 1998).
Bioremediation is a general concept that includes all those processes and actions that take
place in order to biotransform an environment, already altered by contaminants, to its original
status. Bioremediation uses primarily microorganisms or microbial processes to degrade and
transform environmental contaminants into harmless or less toxic forms. Although strictly
60
C. Garbisu and I. Alkorta / The European Journal of Mineral Processing and Environmental Protection
Vol.3, No.1, 1303-0868, 2003, pp. 58-66
speaking, bioremediation is the use of “organisms” to degrade pollutants, it is mainly concerned
with the use of “microorganisms”. In this context, phytoremediation, defined as the use of green
plants to remove environmental contaminants or to render them harmless (Cunningham and
Berti, 1993; Raskin et al., 1994, 1997; Salt et al., 1995, 1998), is recently being considered as a
highly promising technology for the remediation of polluted sites. This topic of
phytoremediation has recently been reviewed by the authors in more detail elsewhere (Alkorta
and Garbisu, 2001; Garbisu and Alkorta, 2001; Garbisu et al., 2002).
3. BIOREMEDIATION OF HEAVY METALS
The term “heavy metal” is arbitrary and imprecise. Some authors (Raskin et al., 1994), for the
sake of simplicity, defined “heavy metal” as any element that has metallic properties (ductility,
conductivity, density, stability as cations, ligand specificity, etc.) and an atomic number greater
than 20. A more biologically relevant classification of metals based on ligand-forming
properties

Kết quả (Việt) 1:

58Tạp chí Châu Âu chế biến khoáng sản và bảo vệ môi trườngVol.3, số 1, 1303-0868, năm 2003, trang 58-66Đánh giáCác khái niệm cơ bản về kim loại nặng đất đềuC. Garbisu1* và I. Alkorta21 Vùng Agrosystems và động vật sản xuất, NEIKER, tiếng Basque A.B. viện nghiên cứu nông nghiệp và phát triển, c / Berreaga, 1; E-48160 Derio, Tây Ban Nha2 Unidad de Biofísica, Centro vi CSIC-UPV/EHU, P. O. Box 644; E-48080 Bilbao, Tây Ban NhaNhận được 30 tháng 6 năm 2002; chấp nhận ngày 12 tháng 1 năm 2003TÓM TẮTSử dụng các sinh vật, vi khuẩn chủ yếu, để làm sạch lên đất bị ô nhiễm, tầng ngậm nước, sludges,dư lượng, và không khí, được gọi là "đều", là một thay đổi nhanh chóng và mở rộng các khu vực của môi trường công nghệ sinh học, mà cung cấp một kỹ thuật làm sạch có khả năng hiệu quả hơn và kinh tế hơn phương pháp hóa lý thông thường. Mặc dù chắc chắn rằng đến nay các công nghệ sử dụng không phải là kỹ thuật phức tạp, đáng kể kinh nghiệm và chuyên môn là cần thiết để thiết kế và thực hiện một chương trình đều thành công. Như một vấn đề của thực tế, và kể từ khi đều thường xuyên địa chỉ multiphasic, heterogenous môi trường (tức là, đất), thành công đều là phụ thuộc vào một cách tiếp cận liên ngành liên quan đến các môn học như vi sinh vật học, kỹ thuật, sinh thái học, địa chất, và hóa học. Nghiên cứu sinh học-sự nhiệt tình của những năm đầu sau đó là ban đầu đầy hứa hẹn kết quả và Lấy cảm hứng từ việc tạo ra của nhiều khắc phục công ty đã kết thúc trong một thực tế hơn và đôi khi thậm chícái nhìn hoài nghi của đều kể từ khi nó bây giờ đã trở nên rõ ràng rằng kết quả thu được trong phòng thí nghiệm làm không nhất thiết cho thấy những gì có thể xảy ra trên thực tế trong lĩnh vực này, vì nó không phải là có thể để mô phỏng tất cả các thay đổi các điều kiện của một tình hình thực tế.Phương pháp khắc phục truyền thống đặt không cung cấp giải pháp chấp nhận được cho việc loại bỏ các kim loại từ đất. Vi sinh vật mà sử dụng kim loại như là chất nhận điện tử khác ở, hoặc làm giảm các kim loại như là một giải độc cơ chế có thể được sử dụng cho việc loại bỏ các kim loại từ bị ô nhiễm môi trường. Trong một số trường hợp, các phytoextraction của kim loại là một cách tiếp cận hiệu quả sử dụng nhà máy kim loại tích lũy để làm sạch lên đất bị ô nhiễm kim loại. © 2003 SDU. Tất cả các quyền.Từ khóa: Đất; Kim loại; Đều; Phytoremediation; Môi trường1. GIỚI THIỆUChất lượng cuộc sống trên trái đất được liên kết mật thiết với nhau với chất lượng tổng thể của môi trường. Nó là rất khó khăn để xác định chất lượng đất, như thành phần đất có thể khác nhau từ nơi này đến nơi. Đất chất lượng là có liên quan với hơn thành phần của đất và các thành phần, nhưng làm thế nào nó chức năng trong một môi trường cụ thể. Các chức năng chính của một đất nói chung được công nhận bao gồm khả năng để bảo vệ nước và không khí chất lượng, khả năng duy trì thực vật và động vật năng suất và khả năng để thúc đẩy sức khỏe con người (Doran và mộ, 1994; Chen và Mulla, năm 1999).Việc phát hành của chất gây ô nhiễm vào môi trường của các hoạt động của con người đã tăng lên rất nhiều hơn một vài thập kỷ qua. Trong thực tế, mặc dù một vài thập kỷ trước, lớn nhất của người đàn ông thách thức cư ngụ trong đẩy mạnh quá trình công nghiệp hoá, người đàn ông ngày hôm nay nỗ lực để tìm cách để đối phó với công nghiệp đang phát triển và các vấn đề liên quan (Thassitou và Arvanitoyannis, 2001). Giới thiệu tương đối bất ngờ các chất ô nhiễm vào người nhận Hệ sinh thái rõ ràng đã choáng ngợp năng lực tự làm sạch của mình và, kết quả là, kết quả là sự tích tụ các chất ô nhiễm. Đất ô nhiễm mới thu hút* Tác giả tương ứng. Thư điện tử: [e-mail] 59C. Garbisu và I. Alkorta / tạp chí Châu Âu chế biến khoáng sản và bảo vệ môi trườngVol.3, số 1, 1303-0868, năm 2003, trang 58-66đáng kể công chúng chú ý vì tầm quan trọng của vấn đề trong đất của chúng tôi gọi cho ngay lập tức hành động.Việc sản xuất quy mô lớn của một loạt các hợp chất hóa học, chẳng hạn như dung môi hữu cơ, nhiên liệu và nhiên liệu phụ gia, thuốc trừ sâu, chất hoá dẻo, sắc tố, thuốc nhuộm, nhựa và hóa chất feedstocks, đã gây ra suy thoái toàn cầu của chất lượng môi trường (Garbisu và Alkorta, năm 1997; Iwamoto và Nasu, 2001).Đất bị ô nhiễm là một vấn đề môi trường phổ biến khắp nơi trên thế giới. Khác nhau nước phải đối mặt với đất bị ô nhiễm khác biệt đáng kể trong nhận thức của vấn đề và trong các chính sách và các công nghệ để giải quyết nó (Rulkens và ctv., 1998). Tuy nhiên, tăng cường trao đổi kinh nghiệm đã đạt được với việc quản lý và khắc phục của ô nhiễm đất đang diễn ra trong số các quốc gia khác nhau.Như một vấn đề của thực tế, ngày càng phổ biến rộng rãi ô nhiễm đã gây ra các khu vực rộng lớn của đất trở thành-arable và nguy hiểm cho động vật hoang dã và quần thể con người. Bị ô nhiễm vùng đất nói chung là kết quả của các hoạt động công nghiệp trong quá khứ khi nhận thức về sức khỏe và tác động môi trường kết nối với sản xuất, sử dụng và xử lý các nguy hiểm chất ít cũng được công nhận hơn ngày hôm nay (Vidali, 2001). Thật không may, rất lớn chi phí liên quan với việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ đất bằng phương tiện truyền thống hóa lý phương pháp đã khuyến khích các công ty để bỏ qua vấn đề (Alkorta và Garbisu, 2001).Ngoài ra để giảm thiểu tác động của sự cố trong tương lai bằng phương tiện của việc kiểm soát ô nhiễm đất đầu vào (phát triển một cái nhìn dài hạn của ô nhiễm amelioration các biện pháp mà tập trung vào làm chậm tốc độ gia tăng ô nhiễm), nó là bắt buộc để triển khai các công nghệ tiên tiến mà kinh tế có thể remediate chất thải độc hại bất lợi tác động đến môi trường của chúng tôi, do đó việc giảm các mối đe dọa đến sức khỏe con người và môi trường (Garbisu và Alkorta, 1997).Trong những năm gần đây, lo âu trong số những người bình thường đã phát triển và công chúng là bây giờ mạnh mẽ yêu cầu các biện pháp sạch-up sẽ được giới thiệu khẩn trương. Trong bối cảnh này, chính phủ recognition of the accumulating hazards has resulted in legislative restrictions on uncontrolled discharges of wastes and actions mandating environmental restoration of hazardous waste sites. This recent environmental awareness has highlighted the need for new technologies for the treatment of these wastes.2. WHAT IS BIOREMEDIATION?Traditional physicochemical processes for remediation of soil polluted sites are expensive and often do not permanently alleviate the pollution hazard. The most common conventional techniques used for remediation are: (i) excavation and disposal to a landfill, and (ii) to cap and contain the contaminated areas of a site.Apart from the fact that it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill sites for the final disposal of the material, the first method simply moves the contamination elsewhere (with the possibility of creating risks during the excavation, handling, and transport of hazardous material), while the second is only an interim solution since the contamination remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers (Vidali, 2001). Other methods such as incineration lack public acceptance since they can increase the exposure to contaminants of both the workers at the site and nearby residents. Some other techniques that are in various stages of development are the following: extraction of pollutants with organic solvents or CO2, oxidation of organic pollutants under subcritical or supercritical conditions, vitrification, electroreclamation, dehalogenation of chlorinated organic compounds using an alkali polyethylene glycol, chemical reduction or oxidation of contaminants, steam stripping, plasma torch techniques, microwave heating, solidification/stabilisation, and so on (Rulkens et al., 1998).Bioremediation is a general concept that includes all those processes and actions that take place in order to biotransform an environment, already altered by contaminants, to its original status. Bioremediation uses primarily microorganisms or microbial processes to degrade and transform environmental contaminants into harmless or less toxic forms. Although strictly 60C. Garbisu and I. Alkorta / The European Journal of Mineral Processing and Environmental ProtectionVol.3, No.1, 1303-0868, 2003, pp. 58-66speaking, bioremediation is the use of “organisms” to degrade pollutants, it is mainly concerned with the use of “microorganisms”. In this context, phytoremediation, defined as the use of green plants to remove environmental contaminants or to render them harmless (Cunningham and Berti, 1993; Raskin et al., 1994, 1997; Salt et al., 1995, 1998), is recently being considered as a highly promising technology for the remediation of polluted sites. This topic of phytoremediation has recently been reviewed by the authors in more detail elsewhere (Alkorta and Garbisu, 2001; Garbisu and Alkorta, 2001; Garbisu et al., 2002).3. BIOREMEDIATION OF HEAVY METALSThe term “heavy metal” is arbitrary and imprecise. Some authors (Raskin et al., 1994), for the sake of simplicity, defined “heavy metal” as any element that has metallic properties (ductility, conductivity, density, stability as cations, ligand specificity, etc.) and an atomic number greater than 20. A more biologically relevant classification of metals based on ligand-forming properties