Экологическая биотехнология

Территория рекламы

Прикладное использование экологической биотехнологии

Осознание мировым сообществом пагубности традиционного неустойчивого пути развития и, как следствие, его стремление привести к равновесию экономические интересы и экологические императивы, равно как и оптимизировать нерациональный рост использования природных ресурсов в интересах настоящего и будущих поколений, способствовало появлению на свет выдающихся прогрессивных достижений и инноваций в различных областях науки и техники. При этом одной из наиболее перспективных и бурно развивающихся сегодня является, без сомнений, междисциплинарная биотехнологическая отрасль, ставшая величайшим триумфом человеческого разума и гармонично сочетающая в себе химические, биологические, инженерные и другие направления научной мысли.

Вместе с тем, одним из наиболее важных ответвлений, в контексте прикладного применения, является экологическая биотехнология (экобиотехнология), специализирующаяся на решении природоохранных задач, таких как, например: восстановление озёрных экосистем, очистка загрязнённых сред от нефти и её производных продуктов, мониторинг окружающей среды и т.д.

При этом в экобиотехнологии успешно применяются на практике следующие базовые методы:

- биологическая очистка сточных вод;

- биологическая очистка и дезодорация газов;

- восстановление поверхностного слоя и свойств почв;

- рециклирование и утилизация (переработка) органических отходов.

Биологическая очистка сточных вод, основанная на возможности использовать микроорганизмами имеющиеся загрязнения в качестве пищевых источников, осуществляется с целью минимизации опасных соединений до регламентированных законом концентраций. В зависимости от масштабов, специфики и схемы работ, сточные воды могут очищаться с помощью городской, производственной или небольшой хозяйственной инфраструктуры естественными или искусственными (благодаря специально разработанным сооружениям) методами путём функционирования аэробных или анаэробных систем.

В 1865 г. А. Мюллер предложил биологическую очистку сточных вод с использованием микроорганизмов. Примерно в это же время для очистки воды от органических веществ стали применять капельный фильтр (перко ляционный слой). В 1914 г. была предложена система аэробной биологической очистки с использованием активного ила и принудительной аэрации, в результате чего заметно повысилась эффективность очистки сточных вод – время, необходимое для окисления сточных вод, сокращалось от нескольких недель до нескольких часов.

Аэробная очистка сточных вод

При очистке сточных вод выполняют четыре основные операции:

1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).

2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.

3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.

4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо – метан.

На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы очистки. Одноступенчатая схема очистки сточной воды представлена на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема очистных сооружений:

1 - пескоуловители; 2 - первичные отстойники; 3 - аэротенк; 4 - вторичные отстойники; 5 - биологические пруды; 6 - осветление; 7 - реагентная обработка; 8 - метатенк; АИ - активный ил.

Сточные воды поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание осуществляется за счет подачи воздуха. В случае необходимости в усреднитель подаются также биогенные элементы в необходимых количествах и аммиачная вода для создания определенного значения рН. Время пребывания в усреднителе составляет обычно несколько часов. При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки - песколовки и первичные отстойники. В них происходит отделение очищаемой воды от грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды.

Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси.

В основе биологической очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% - из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Микрооганизмы, выделенные из активного ила относятся к различным родам: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas, о всеядности которых упоминалось ранее. В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

Существенная роль в создании и функционировании активного ила принадлежит простейшим. Функции простейших достаточно многообразны; они сами не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют возрастной и видовой состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на определенном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу бактериальных экзоферментов, концентрирующихся в слизистой оболочке и тем самым принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые инфузории (Mastigophora), реснитчатые инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria).

Показателем качества активного ила является коэффициент протозойности, который отражает соотношение количества клеток простейших микроорганизмов к количеству бактериальных клеток. В высококачественном иле на 1 миллион бактериальных клеток должно приходиться 10-15 клеток простейших. При изменении состава сточной воды может увеличится численность одного из видов микроорганизмов, но другие культуры все равно остаются в составе биоценоза.

На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние и сезонные колебания температуры, обеспеченность кислородом, присутствие минеральных компонентов. Все это делает состав ила сложным и практически невоспроизводимым. Эффективность работы очистных сооружений зависит также от концентрации микроорганизмов в сточных водах и возраста активного ила. В обычных аэротенках текущая концентрация активного ила не превышает 2 – 4 г/л.

Увеличение концентрации ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации, для поддержания концентрации кислорода на необходимом уровне. Таким образом, аэробная переработка стоков включает в себя следующие стадии: 1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности; 2) расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами; 3) поглощение растворенных веществ клетками; 4) рост и эндогенное дыхание; 5) высвобождение экскретируемых продуктов; 6) "выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями. В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. На практике очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила возвращается в систему очистки, а избыток активного ила, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на поля. Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем. Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.

Система полной доочистки может состоять из множества элементов, которые определяются дальнейшим назначением сточной воды. Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит осветление и насыщается кислородом. Пруды также относятся к системе биологической очистки, в которой под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в придонных – факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов. Насыщение воды кислородом происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями, из которых особенно широко представлены Clorella, Scenedesmus, встречаются эвгленовые, вольвоксовые и т.д. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и др. В биопрудах из воды хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения. В некоторых случаях воду после биологической очистки подвергают реагентной обработке – хлорированию или озонированию.

Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии активного ила чистым кислородом. Этот процесс можно осуществить в модифицированных аэротенках закрытого типа – окситенках, с принудительной аэрацией сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах (или перколяционных фильтрах) клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно отнести к иммобилизованным клеткам. В этом случае иммобилизована не монокультура, а целый консорциум, неповторимый по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от его местонахождения на поверхности носителя. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного ценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей. Недостатками этого метода можно считать:

нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей;

необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной скоростью;

сточные воды перед подачей должны быть освобождены от взвешенных частиц во избежание заиливания.

В качестве носителей можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью. Для биофильтров характерно наличие противотока воды, которая поступает сверху и воздуха, подающегося снизу. Оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а идут на иловые площадки или в анаэробную преработку.

Существуют также системы, сочетающие в себе как систему биофильтров, так и активного ила в аэротенках. Это так называемые аэротенки-вытеснители. В аэрируемую сточную воду помещают либо стеклоерши, либо создают систему сеток внутри тенка, в которые вкладываются прокладки из пористого полиэфира. В пустотах этих прокладок и на поверхности стеклоершей происходит накопление биоценоза активного ила. Носитель периодически удаляется из тенка, биомасса снимается, после чего носитель возвращается в реактор.

Система с иммобилизованными на мобильном носителе клетками отличается от биофильтров своей экономичностью, так как используются высокие концентрации микроорганизмов и нет необходимости осаждать конечные продукты. Такая система может найти применение в очистке локальных стоков, с узким спектром загрязнений. Их целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смешивая со стоками других производств. Это позволяет получить биоценозы микроорганизмов, адаптированные к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость и эффективность очистки резко возрастают.

Анаэробные системы очистки

Как уже упоминалось, избыток активного ила может перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах – метатенках.

Распад органических веществ состоит из трех этапов:

растворение и гидролиз органических соединений;

ацидогенез;

метаногенез.

На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.

Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию – стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них – представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.

Процесс метанообразования – источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.

Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов – один из перспективных путей совместного решения энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным комплексам перейти на автономное энергообеспечение.

Биологическая очистка и дезодорация газов не менее важны, чем очистка сточных вод, и их роль в обеспечении устойчивого развития сложно переоценить, ибо, как широко известно, человек может прожить несколько недель без еды, несколько дней без воды и лишь несколько минут без воздуха. (Сл.10) Хорошей иллюстрацией важности сохранения качества газовой массы на высоком уровне является ситуация со смоговым занавесом, опустившимся на Москву и иные населённые пункты России летом 2010 года – тогда, из-за резкого ухудшения характеристик атмосферного воздуха по причине торфяных пожаров, резко возросло количество смертей среди населения. Здесь же, в качестве примера, можно упомянуть одну из главных проблем современного человека, живущего в экологически неблагополучной среде (особенно, в мегаполисах), – кислородное голодание (гипоксия), способствующее развитию многих заболеваний (сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, желудочно-кишечного тракта и др.).

Нужно отметить, что в проблематике загрязнения атмосферы антропогенный фактор, мягко говоря, стоит далеко не на последнем месте. Промышленные предприятия, животноводческие фермы, мусороперерабатывающие заводы, полигоны твёрдых бытовых отходов – вот лишь неполный список рукотворных деструктивных источников, оказывающих непосредственное влияние на химические, физические и биологические факторы, определяющие качество воздуха.

Принимая во внимание объективно сложившуюся ситуацию, когда во многих регионах мира экологическая обстановка такова, что вредные выбросы во много раз превышают предельно-допустимые концентрации, представляется крайне актуальной не только химическая и физическая, но и биологическая очистка газовоздушных выбросов — процесс биологического окисления растворимых в воде загрязнителей воздуха, разлагающихся на микробиологическом уровне, протекающий благодаря способности некоторых микроорганизмов воздействовать на спирты, кетоны, альдегиды, эфиры, органические кислоты, а также ароматические, азото- и серосодержащие соединения.

Могут быть созданы очистные системы, основанные, например, на использовании тиобацилл: в таких системах анаэробное десульфурирование сопряжено с денитрификацией. Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании газа через солевой раствор, например раствор сульфата меди. В результате происходит осаждение нерастворимого сульфида металла, который затем может быть окислен при участии микроорганизмов. Количество отходов с неприятным запахом увеличивается и в результате интенсификации животноводства. Для устранения этого запаха из отходов удаляют, в частности, восстановленные соединения серы; такое удаление происходит с потерей азота или без потери (путем образования аммиака) в зависимости от того, какие микроорганизмы при этом используются. Органические сульфиды часто бывают токсичными для микроорганизмов. Например, обогащение отходов микроорганизмами, способными использовать диметилсульфид, затруднено, хотя в принципе можно выделить сообщество микробов, растущее на очень близком по структуре субстрате диметилсульфоксиде. Преобладающий в таком сообществе организм Hyphomicrobium spp. быстро окисляет диметилсульфид, так что есть основания надеяться на создание относительно простого микробиологического способа переработки таких ядовитых отходов.

Аэробный процесс

H2S + 2О2 -> H2SO4

(CH3)2S + 5О2 -> 2СО2 + H2SO4 + 2Н2О

Анаэробный процесс

5H2S + 8NaNO3 -> 4Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O + 4N2

(СН3)2S + 4NaNO3 -> 2CO2 + Na2SO4 + 2NaOH + 2H2O + 2N2

Для детоксикации цианида в промышленных отходах были предложены различные биологические методы: от использования активного ила до применения специфических ферментов, разрушающих цианид. Так, роданаза, обнаружена у Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиодианат. Альтернативная иммобилизованная система основана на гидролизе цианида до формамида, катализируемом индуцибельным ферментом цианидгидратазой. Этот фермент был обнаружен в грибах, паразитирующих на растениях-цианогенах. Таким образом, мы имеем ряд микробиологических методов очистки промышленных стоков, однако нам еще предстоит определить их эффективность по степени очистки на выходе.

Что касается микробиологических методов дезодорации газов, то: при твёрдой фазе используются биофильтры с почвенной основой, либо различными носителями (неорганическими, синтетическими, природными органическими); при жидкой фазе применяются биоабсорбционные установки или биосорберы с диспергированием газа (барботирование) или жидкости (биоскруббер). При этом биологическая дезодорация, по сравнению с традиционными физическими и химическими методами, доступнее в реализации и более эффективна.

Вопросы восстановления поверхностного слоя и свойств почв занимают особое место в экобиотехнологической отрасли. Наряду с небиологическими методами (механическими, химическими, физико-химическими), в настоящее время, активно развивается биоремедиацонное направление, позволяющее при малых финансовых вливаниях безопасно и эффективно очищать природные среды за счёт способности живых организмов концентрировать и расщеплять загрязнения.

Биоремедиация загрязнённых почв и грунтов представляет собой набор техник, основанных на применении биологических агентов для очистки почв и грунтов от поллютантов. Чаще всего для биоремедиации почв используются микроорганизмы, обычно бактерии и грибы; реже – растения.

Среди способов биоремедиации можно выделить следующие:

самоочищение,

биостимулирование in situ (осуществляется на месте загрязнения),

биоремедиация ex situ (с транспортировкой загрязнённого материала к месту проведения очистных мероприятий и использованием биореакторов),

биоаугментация (введение в нужном количестве специально подобранного биоматериала в загрязнённую среду),

биоконцентрирование (локализация загрязняющих веществ в единую биомассу в результате жизнедеятельности микроорганизмов путём иммобилизации, адсорбции, образования связанных остатков),

биомобилизация (активизация веществ-загрязнителей; при этом наиболее значимым процессом, повышающим подвижность химических элементов, является биовыщелачивание),

реакционно-активные биобарьеры (устанавливаются на пути миграции загрязнений),

фиторемедиация (в качестве инструмента очистки природных сред используются зелёные растения).

Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, с тем, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию поллютантов. Данная техника чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов.

Помимо кислорода стимуляция биодеградации может осуществляться путём введение в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию поллютанта. Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие удобрения.

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических поллютантов, присутствующих в почве.

Переработка органических отходов

Стоит сказать, что хотя биологическая переработка отходов не лишена недостатков и более длительна, чем физические и химические методы, но, вместе с тем, она более экологична, экономична и эффективна, а также, что немаловажно, позволяет минимизировать образование вторичных отходов.

Целесообразность применения конкретных биотехнологических способов обезвреживания и переработки отходов напрямую зависит от характера последних.

Так, если имеют место растительные отходы, то корректно оперировать такими способами, как: компостирование, вермикомпостирование, метаногенерация, силосование, генерация тепла, обработка в биореакторах, биомодификация, получение белка одноклеточных организмов и биотоплива, выращивание грибов, делигнификация.

При отходах, богатых растворённой органикой, биотехнология предлагает: получение продуктов микробиологической и ферментативной переработки, анаэробное сбраживание, метаногенерацию, обработку в биореакторах.

Для биотехнологической переработки твёрдых белок- и жиросодержащих отходов, целесообразно следующее: получение пищевых и кормовых добавок, компонентов биологического происхождения, биологически активных веществ, продуктов микробиологической переработки, метаногенерация, переработка в органо-минеральные удобрения, обработка в биореакторах.

Белоксодержащие отходы (БСО) – массовый вид токсичных биологически опасных возобновляемых отходов, возникающих в производствах переработки животного сырья и производства продуктов питания. К ним относятся: отходы забоя животных, переработки мяса, птицы и рыбы; отходы первичной обработки шерсти, выделки кожи и меха, которые содержат волос, пух, перо, рыбью чешую, мездру, кости, мышечную ткань. В настоящее время БСО размещают на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) или сжигают. Белоксодержащие отходы содержат от 40 до 95 % кератина и кератиноподобных белков, коллагена и коллагеноподобных белков; миозина, альбуминов, глобулинов и т.д. Продуктами гидролиза белков являются аминокислоты (АК), низкомолекулярные пептиды (ПК) и липопротеины (ЛПК) В этом плане БСО перспективны как возобновляемое сырье для переработки в нетоксичную экологически безопасную продукцию на основе композиций АК, ПК и ЛПК и их производных.

Утилизировать массу жира отделяемую при очистке сточных вод пищевых предприятий, очистить сточную воду от жиров помогут бактерии для которых главным источником энергии жизнедеятельности и размножения являются все фракции жиров. При взаимодействии биопрепарата с жирами, происходит разжижение и разложение жировой массы на СО2 и H2O, вода очищается от жиров, азота, фосфора. Биопрепараты применяются для малоотходной работы жироуловителей, повышения качества очистки воды от жиров, азота, фосфора в жироуловителях, накопителях, отстойниках, септиках и сооружениях биологической очистки.

Если в роли отходов выступают навоз, птичий помёт и подстилка, то в этом случае подойдут такие биотехнологические способы: компостирование, вермикомпостирование, сбраживание, метаногенерация, получение органо-минеральных удобрений, переработка в кормовые добавки, обработка в биореакторах.

Осадки и активный ил очистных сооружений хорошо поддаются манипулированию при использовании методов: анаэробное сбраживание в метантенках и септитенках, компостирование, вермикомпостирование, аэробная стабилизация, переработка на иловых площадках, получение органо-минеральных удобрений.

Донные осадки подвержены воздействию ряда биотехнологических процессов, а именно: биоремедиация, биовыщелачивание, биорекультивация, фиторемедиация, фитоэкстракция, фитостабилизация.

Для обработки твёрдых бытовых отходов (ТБО) эффективны такие методы, как: компостирование, вермикомпостирование и метаногенерация.

При отходах в виде резинотехнических изделий, возможны следующие биотехнологические варианты переработки: биологическая девулканизация, активирование вулканизации, биомодификация.

Если требуется переработать минеральные и древесные строительные материалы и пластики, наиболее предпочтительным способом является биомодификация.

Для качественной переработки пластиков приемлемы перечисленные далее биотехнологические способы: биодеструкция и биодеградация, получение биопластиков и биоразлагаемых полимерных материалов.

Если отходами, которые нуждаются в переработке, являются радиоактивные материалы, то в таком случае адекватными способами с точки зрения биотехнологии, являются: биодеструкция, биовыщелачивание, биосорбция.

Биодеградация ксенобиотиков

В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:

устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;

растворимость их в воде;

летучесть ксенобиотиков;

рН среды;

способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;

сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации.

Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина, CAM – камфары. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плазмид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.

Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.

Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P. stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика - фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из экспериментов грибами обработали около 10000 тонн почвы с территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

Таким образом, как было показано выше, прикладное использование экологической биотехнологии, призванной защищать природные экосистемы от негативных воздействий, открывает широкие возможности по очистке сточных вод и газовоздушных выбросов, восстановлению природных сред, рециклированию и утилизации органических отходов, а значит, представляет собой исключительно важный инструментарий для успешной реализации концепции устойчивого развития.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Скачать

Ekobiotekhnologia.docx

Ekobiotekhnologia.docx
Размер: 52.2 Кб

Бесплатно Скачать

Пожаловаться на материал

Экобиотехнология. Аэробная очистка сточных вод. Прикладное использование экологической биотехнологии. Биологическая очистка и дезодорация газов. Восстановления поверхностного слоя и свойств почв. Переработка органических отходов. Биодеградация ксенобиотиков.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Промгидромеханизация

Полноповоротные стреловые краны. Пневмотранспортные, краны, конвейеры, погрузочные машины

Предмет психологии личности

Индивид-человек, как единичное природное существо, представитель вида homo sapiens

Основы методики самостоятельных занятий физическими упражнениями

Мотивация и целенаправленность самостоятельных занятий. Формы и содержание самостоятельных занятий. Самостоятельные занятия физическими упражнениями. Лекция по Физическая культура

Администрирование баз данных

Цель занятия: усвоить знания о порядке такой организации работы пользователей с базой данных, чтобы база данных всегда была работоспособна.

Компьютерное моделирование физических процессов

Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Законы подобия.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok