Όλα τα μηνύματα που «εκπέμπει» η φύση γύρω μας αποτελούν διαμαρτυρία για το βίαιο τρόπο με τον οποίο τη χρησιμοποιεί ο άνθρωπος. Οι εικόνες που βλέπουμε καθημερινά, όπως τα ναυάγια πετρελαιοφόρων, τα δέντρα που αργοπεθαίνουν λόγω της όξινης βροχής, οι τόνοι των σκουπιδιών γύρω από τις πόλεις και η ρύπανση της ατμόσφαιρας που επικρατεί μέσα σ' αυτές, μιλούν από μόνες τους. Επιπλέον, πρέπει να σημειώσουμε ότι η ρύπανση του περιβάλλοντος δε γνωρίζει σύνορα. Είναι χαρακτηριστικό ότι υπάρχει μια «ανταλλαγή ρύπανσης» μεταξύ των κρατών. Για τους λόγους αυτούς όλοι πλέον αντιλαμβάνονται ότι η εποχή όπου το ενδιαφέρον ήταν στραμμένο στην άνευ όρων βιομηχανική ανάπτυξη, έχει περάσει χωρίς επιστροφή. Σήμερα οι σύγχρονες κοινωνίες προσπαθούν να μειώσουν τη ρύπανση αλλά και να αξιοποιήσουν, όσο αυτό είναι δυνατό, τα απόβλητα του τεχνολογικού μας πολιτισμού. Εδώ ακριβώς καλείται να βοηθήσει η Βιοτεχνολογία: να βρει αποτελεσματικές μεθόδους ανακύκλωσης και επεξεργασίας των λυμάτων και των στερεών απορριμμάτων, ή να διασπάσει με «βιολογικό» τρόπο τις πετρελαιοκηλίδες που αφανίζουν κάθε ίχνος ζωής σε μεγάλες θαλάσσιες ή παράκτιες περιοχές.

Επεξεργασία λυμάτων και αποβλήτων

Η επεξεργασία των λυμάτων και των βιομηχανικών αποβλήτων αποτελεί την πιο διαδεδομένη βιοτεχνολογική διεργασία των βιομηχανικά ανεπτυγμένων κοινωνιών, επειδή ακριβώς σε αυτές, δημιουργούνται σε τεράστιες ποσότητες.

Τα αστικά λύματα αποτελούνται από ανθρώπινα εκκρίματα του μεταβολισμού καθώς και από νερό που έχει χρησιμοποιηθεί στις καθημερινές οικιακές χρήσεις. Η μέση ποσότητα λυμάτων που αποχετεύει ο άνθρωπος την ημέρα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, μεταξύ των οποίων είναι η αφθονία ή η έλλειψη νερού στο σπίτι και στην περιοχή, το κόστος του νερού και το πολιτιστικό επίπεδο. Στα λύματα υπάρχουν οργανικές ενώσεις όπως πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λίπη που συνυπάρχουν με τα προϊόντα διάσπασής τους. Τα λύματα περιέχουν επίσης πολλούς μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται ταχύτατα λόγω της ύπαρξης οργανικών ουσιών. Σε αυτά συναντώνται ιοί, βακτήρια, φύκη, μύκητες πρωτόζωα μέχρι και θηλαστικά (ποντίκια, αρουραίοι).

Τα απόβλητα προέρχονται από τις βιομηχανίες και αποτελούνται συνήθως από νερό που έχει επιβαρυνθεί με παραπροϊόντα της παραγωγικής διαδικασίας.

των οποίων προκαλείται η διάσπαση των οργανικών ουσιών.

Η τυπική διαδικασία που ακολουθείται στις περισσότερες μονάδες βιολογικού καθαρισμού περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια (Εικόνα 11.1):

• πρωτογενής επεξεργασία, κατά την οποία γίνεται απομάκρυνση με φυσικές μεθόδους, όπως με εσχαρισμό και διήθηση των στερεών συστατικών μεγάλου μεγέθους που μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα στην περαιτέρω διαδικασία. Ακολουθεί καθίζηση για αρκετές ώρες και η λάσπη που δημιουργείται από τα υλικά που καθιζάνουν αποσυντίθεται και μετά από κατάλληλη επεξεργασία χρησιμοποιείται συνήθως ως λίπασμα.
• δευτερογενής επεξεργασία, κατά την οποία προκαλείται ελάττωση της ποσότητας των οργανικών ουσιών των λυμάτων και αποβλήτων σε τέτοιο βαθμό ώστε να μπορούν να διοχετευτούν σε ποταμούς και θάλασσες χωρίς να δημιουργείται πρόβλημα ρύπανσης και μόλυνσης του υδάτινου περιβάλλοντος. Στη δευτερογενή επεξεργασία η διάσπαση των οργανικών ουσιών

Αερόβια διάσπαση

Κατά την αερόβια διαδικασία (Εικόνα 11.3), η οργανική ύλη μετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα, αμμωνία, νιτρικά, φωσφορικά και θειικά άλατα με τη βοήθεια μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί αυτοί κινούνται ελεύθερα σε ένα σύστημα δεξαμενών με ταυτόχρονη χορήγηση αέρα ή οξυγόνου. Πιο κοινά είναι τα συστήματα όπου το υγρό κυρίως κλάσμα διοχετεύεται σε μια μεγάλη δεξαμενή, την πρωτοβάθμια δεξαμενή, η οποία δέχεται παροχή αέρα (Εικόνα 11.3γ). Εκεί χρησιμοποιούνται κυρίως βακτήρια που σχηματίζουν βλέννη (κυρίως Zoogloea ramigera) τα οποία έχουν την ιδιότητα να σχηματίζουν συσσωματώματα (Εικόνα 11.4). Τα συσσωματώματα αυτά αποτελούν το υπόστρωμα πάνω στο οποίο προσκολλώνται πρωτόζωα και μικρά ζώα. Μερικές φορές συνυπάρχουν νηματοειδή βακτήρια και μύκητες.

Το υγρό που περιέχει τα συσσωματώματα των βακτηρίων μεταφέρεται σε μια δεύτερη δεξαμενή (δευτεροβάθμια δεξαμενή βιομάζας), όπου τα συσσωματώματα καθιζάνουν. Έτσι, η μικροβιακή βιομάζα που παράγεται, καθιζάνει ενώ έχει καταναλώσει μεγάλη ποσότητα οργανικής ύλης. Κάποια ποσότητα συσσωματωμάτων επιστρέφει στην πρωτοβάθμια δεξαμενή αερισμού και χρησιμεύει για να γίνεται εκ νέου εμβολιασμός (Εικόνα 11.3).

Στις αερόβιες συνθήκες επενεργούν κυρίως βακτήρια, φύκη, ιοί, πρωτόζωα και μύκητες. Τα τελικά προϊόντα είναι διοξείδιο του άνθρακα, νερό (υγρό κλάσμα), και ουσίες που δεν αποσυντίθενται (λάσπη).

Το υγρό κλάσμα, που αποτελείται από τα καθαρισμένα πλέον λύματα μεταφέρεται για να υποστεί τριτογενή επεξεργασία. Κατά την τριτογενή επεξεργασία, όπως αναφέρθηκε, θα ελαττωθεί η συγκέντρωση των ανόργανων θρεπτικών συστατικών, και με την προσθήκη χλωρίου (χλωρίωση) θα απαλλαγούν από τους μικροοργανισμούς.

Το ίζημα, που αποτελείται από συσσωματώματα και από άλλες ουσίες που δεν αποσυντέθηκαν, μεταφέρεται σε μεγάλες κλειστές δεξαμενές, τους βιοαντιδραστήρες, όπου θα υποστεί αναερόβια διάσπαση.

Αναερόβια διάσταση

Η αναερόβια διάσπαση είναι μια πολύπλοκη σειρά αντιδράσεων διάσπασης και ζύμωσης που πραγματοποιούνται από πολλά διαφορετικά είδη βακτηρίων, μεταξύ των οποίων κυριαρχούν τα είδη Clostridium. Η διαδικασία γίνεται σε μεγάλες κλειστές δεξαμενές που ονομάζονται βιοαντιδραστηρες και απαιτεί τη συνδυασμένη δράση πολλών διαφορετικών μικροοργανισμών (Εικόνα 11.2α). Στην Εικόνα 11.2β φαίνονται οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται κατά την αναερόβια διάσπαση.

Εικόνα 11.5 Διάσπαση πετρελαιοκηλίδων με τη βοήθεια βακτηρίων. Σε πέντε εβδομάδες έχει διασπασθεί το 70% μιας κηλίδας, διαδικασία που στη φύση θα διαρκούσε 55 χρόνια!

ανήκουν σε περισσότερα από 70 γένη με αποτέλεσμα να μεταβολίζονται σε διοξείδιο του άνθρακα. Η διαδικασία αυτή είναι ιδιαίτερα αργή, ενώ οι πηγές ρύπανσης δυστυχώς αυξάνονται. Η ταχύτητα αποικοδόμησης των πετρελαιοκηλίδων από τους μικροοργανισμούς εξαρτάται από μια σειρά άλλων παραγόντων. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται η θερμοκρασία του περιβάλλοντος (το καλοκαίρι αναπτύσσονται τα βακτήρια ευκολότερα λόγω υψηλότερης θερμοκρασίας), η σύσταση του πετρελαίου που ποικίλει ανάλογα με την κατεργασία και την προέλευσή του, η συγκέντρωση του οξυγόνου στο θαλασσινό νερό και η επάρκεια θρεπτικών συστατικών για την ανάπτυξη των βακτηρίων.

Η Βιοτεχνολογία επιδιώκει να επιταχύνει και να βελτιστοποιήσει τη διαδικασία διάσπασης των πετρελαιοκηλίδων με δύο τρόπους:

α. Διευκολύνοντας τα βακτήρια στο απορρυπαντικό τους έργο. Αυτό γίνεται δυνατό εάν προστεθούν τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά όπως άζωτο, φωσφόρος και σίδηρος με τα οποία επιτυγχάνεται καλύτερη και ταχύτερη ανάπτυξη των βακτηρίων, δηλαδή κάτι αντίστοιχο με την προσθήκη λιπάσματος στους αγρούς. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε για πρώτη φορά μετά τη μεγάλη διαρροή πετρελαίου στην Αλάσκα το 1989 που δημιουργήθηκε από