Применение биотехнологий в охране окружающей среды

В процессе санации происходит селекция активных углеводородокисляющих бактерий, среди которых преобладают бактерии рода Acinetobacter, Alcaligenes, Pseudomonas.

Разработан вариант очистки в специальных сооружениях с изъятием грунта, что позволяет повысить температуру среды. Стоимость такой очистки составляет от 50 до 250 ДМ за 1т, тогда как химическая экстракция стоит 200-300 ДМ, а термческая обработка - в 700-1000 дм.

В США была разработана технология по уничтожению жидких нефтяных отходов. Стоки вывозят на большие грунтовые площадки, где они перемешиваются с верхним слоем почвы толщиной около 75 см. Нефть разрушается под действием бактерий.

После обработки, материал подвергается сушке. Весь цикл разрушения при оптимальных условиях занимает 3 месяца. Каждое поле используют несколько раз в течение 3-5 лет. В 1984 г. объем переработанных таким образом стоков составил 2,5 млн. баррелей.

Положительным качеством германской, американской и др. технологий, направленных на стимуляцию естественного процесса, является также то, что они создают благоприятные условия для разрушения трудноразлагаемых углеводородов, таких как полиароматические углеводороды и циклопарафины. Эти вещества лучше разрушаются комплексом микроорганизмов, нежели чистой культурой, благодаря включению процессов соокисления и кометаболизма.

Таким образом, активизация процессов естественного самоочищения, приводит к быстрому разрушению нефтеуглеводородов и экономически целесообразна.

Второй подход. Проблеме восстановления естественного состава загрязненных нефтью вод и почв посвящены многочисленные научные исследования и разработки: среди последних наиболее действенным способом считается искусственное введение в очищаемую среду специально подобранных штаммов микроорганизмов, способных в большей или меньшей степени ассимилировать саму нефть или продукты ее переработки.

Существуют ситуации, когда введение бактериальных нефтеокисляющих препаратов не только оправдано, но и совершенно необходимо. Например, в северных районах, где теплый период непродолжителен и процессы биодеградации не успевают развернуться в полной мере. Это особенно актуально для нашей страны, расположенной в основном в зоне умеренного климата.

Другая ситуация - внезапный разлив нети в открытом море, где нефтеокисляющие бактерии практически отсутствуют.

В этих случаях единственным радикальным способом ускорения биодеградации является внесение активных нефтеокисляющих бактерий совместно с необходимыми для их жизнедеятельности соединениями азота и фосфора.

Многие известные биопрепараты, используемые для очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений, созданы на основе монокультур бактерий того или иного типа.

Применение углеводородокисляющих штаммов микроорганизмов в конкретных регионах определяется соответствием ряда условий:

-воздействие на нефти конкретных месторождений;

-«уживаемость» с аборигенной микрофлорой очищаемой среды;

-работа в определенных значениях рН среды, содержания солей, температурных интервалах применения;

-устойчивость к действию иных полютантов, присутствующих в очищаемой среде

Увеличению скорости очистки от нефтяных углеводородов способствует использование биологических поверхностно-активных веществ (био-ПАВ), активными продуцентами которых являются микроорганизмы

Эмульгирование (солюбилизация) углеводородов с помощью ПАВ улучшает поступление гидрофобных органических загрязнителей из почв и воды в микробные клетки и, соответственно, их деградацию.

В ходе исследований из промышленных отходов выделены новые штаммы слизеобразующих бактерий, обладающие эмульгирующей активностью и способные использовать анионные поверхностно-активные вещества в качестве источников питания, что позволяют сделать вывод о возможности использования данных бактериальных изолятов для разработки способов очистки от нефтяных углеводородов, поверхностноактивных веществ.

Современные нефтеокисляющие препараты представляют собой лиафильно высушенную биомассу активных штаммов. Главным образом бактерий в смеси с азотно-фосфорными соединениями; иногда в препарат включают и сорбент. Если речь идет об очистке акватории, то в качестве сорбента используют вещества, обладающие плавучестью. Роль их заключается в удерживании бактерий на поверхности пленки.

Одним из первых препаратов такого рода является Noscum, состоящий из инертного носителя, смешанного с углеводородокисляющими бактериями и питательными веществами.

Через несколько часов после распределения этого препарата по поверхности нефтяного пятна пленка толщиной от 50 до 100 мкм разрушается бактериями.

В США разработаны препараты фенобак, петробак, гидробак.

Известно несколько патентов, в которых действующим компонентом являются бактерии рода Pseudomonas, часто встречающиеся в загрязненных нефтью почвах и водах. Отечественный препарат «Путидойл» представляет собой сухую клеточную массу P.putida.

Для деградации нефти в тундровых почвах был разработан препарат, действующим компонентом которого являются бактерии Rhodococcus erythropolis.

Биологические методы очистки от пестицидного загрязнения

Пестициды - собирательный термин, охватывающий химические соединения различных классов, применяемые для борьбы с вредными организмами в сельском хозяйстве, здравоохранении, промышленности, нефтедобыче и многих других случаях.

Пестициды начали использовать еще в войсках Александра Македонского для борьбы с паразитами человека (порошок долматской ромашки).

В здравоохранении пестициды применяют для борьбы с членистоногими - переносчиками таких опасных заболеваний, как малярия, чума, туляремия, энцефалит, сонная и слоновая болезнь, многие кишечные заболевания.

В здравоохранении и ветеринарии, кроме того, пестициды используют в качестве дезинфицирующих средств, в промышленности - для предохранения неметаллических материалов (полимеров, древесины, текстильных изделий), борьбы с обрастанием морских судов, особенно в южных морях, для борьбы с сероводородобразующими бактериями, для предохранения труб от коррозии.

В наибольших масштабах пестициды используют в сельском хозяйстве для борьбы с членистоногими (инсектициды и акарициды), нематодами (нематоциды), грибными (фунгициды) и бактериальными (бактерициды) заболеваниями растений и животных, а также для борьбы с сорняками (гербициды).

К пестицидам относят также регуляторы роста растений (ретарданты), используемые для борьбы с полеганием различных культур, для дефолиации (удаления листьев) и десикации (подсушивания растений на корню), чтобы облегчить уборку урожая, а также для предохранения от заморозков и засухи.

Бытует мнение, что применение пестицидов представляет большую опасность для человека и животных. Это связано с применявшимися ранее очень ядовитыми соединениями мышьяка. Современные пестициды за редким исключением обладают низкой токсичностью.

Современные требования к пестицидам. В связи с широким применением пестицидов возник вопрос о возможной опасности их для человека и окружающей среды.

Опасность применения пестицидов может быть связана с наличием остатков в пищевых продуктах, с загрязнением водоемов, почвы и других объектов. Для уменьшения возможной опасности разработаны следующие требования к современным пестицидам:

1) низкая острая токсичность для человека, полезных животных и других объектов окружающей среды;

2) отсутствие отрицательных эффектов при длительном воздействии малых доз, в том числе мутагенного, канцерогенного и тератогенного действия (тератогенный - повреждающий зародыш);

3) низкая персистентность (низкая устойчивость в окружающей среде со временем разложения не более одного вегетационного периода).

Кроме того, рекомендуемые препараты должны обладать следующими свойствами:

1) высокая эффективность в борьбе с вредными организмами;

2) экономическая целесообразность использования;

3) доступность сырья и производства.

Мониторинг, проводимый в США на содержание пестицидов в пищевых продуктах, показывает, что 80-90% их не содержит пестицидов совсем, 10% содержит допустимые нормы и только 0,7% - выше нормы.

Во всем мире ведется интенсивная работа по совершенствованию ассортимента применяемых пестицидов и уменьшения их вредного воздействия на окружающую среду.

В настоящее время на эти работы фирмами - производителями пестицидов, а также из федеральных бюджетов экономически развитых стран, таких, как США, Англия, Франция, Япония, Германия, Швейцария, расходуется более 2 млрд. долл. в год.

Биологическое разложение пестицидов.Бактерии 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 почвенными 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.

Биопестициды. Практически одновременно с развитием животноводства и растениеводства возникла проблема защиты культурных растений и домашних животных от вредителей и болезней. Сначала человек использовал примитивные средства истребления и отлова вредных животных, затем для уничтожения стал применять хищных животных (собак, кошек, птиц).

Постепенно, с развитием сельскохозяйственных технологий способы борьбы совершенствовались; появились первые примитивные химические средства уничтожения насекомых и грызунов с использованием отваров, настоев, древесной золы и пр. Бурное развитие химии и переход сельского хозяйства на интенсивные технологии привело к появлению и применению огромного разнообразия химических веществ для борьбы с вредителями и болезнями культивируемых видов.

Первоочередное место заняли пестициды - ядовитые химические вещества, используемые для борьбы с вредителями, болезнями и сорняками. Однако только небольшая часть (около 10 %) применяемых и вносимых в окружающую среду пестицидов достигает цели; основная же масса этих веществ вызывает гибель полезных организмов, аккумулируется в биологических объектах, нарушает равновесие в природных экосистемах и биоценозах, загрязняет почвы, водоемы, воздух.

Химические пестициды не обеспечили при этом полную защиту сельскохозяйственных культур; большое число насекомых и сорняков остались неконтролируемыми и продолжают наносить огромный вред сельскому хозяйству.

Более того, вредители начинают приобретать резистентность к пестицидам. Появились данные о том, что для уничтожения некоторых вредителей приходится применять сверхвысокие дозы пестицидов, в тысячи раз превосходящие начальные дозы токсикантов в первые годы их применения.

В настоящее время в литературе описаны сотни видов членистоногих, резистентных к различным пестицидам (ДДТ, карбаматам, пиретроидам, фосфорорганическим соединениям). Таким образом, применение пестицидов вступило в явное противоречие с глобальной проблемой защиты окружающей среды.

Это вызывает необходимость поиска других, более эффективных средств и методов защиты, не оказывающих отрицательного воздействия на человека и окружающую среду в целом.

Большие перспективы среди разрабатываемых подходов имеют биологические методы. Биологические агенты применяли для уничтожения вредителей с древнейших времен. Например, китайцы использовали фараоновых муравьев для уничтожения вредителей в зернохранилищах. Во времена Аристотеля в период интенсивного одомашнивания пчел и тутового шелкопряда человек сталкивался с массовыми заболеваниями этих насекомых. Этот период можно считать началом зарождения микробиологических методов борьбы с вредителями. Но только в конце XIX века работами Л. Пастера и И.И.Мечникова была заложена научная основа этого направления.

Мечникову удалось выделить возбудителя болезни хлебного жука - мускаридный гриб (Metarrisium anisopliae), и он рекомендовал использовать данную культура для борьбы с жуком - вредителем злаковых.

Пастер предложил применять бактерию - возбудитель куриной холеры для борьбы с дикими кроликами; Мечников этого же возбудителя - для уничтожения сусликов.

С тех пор направление, основанное на использовании микроорганизмов - природных патогенов, для борьбы с возбудителями болезней и вредителями культурных биологических видов в природных условиях, непрерывно совершенствуется.

Выделено и описано множество микроорганизмов, патогенных для грызунов и насекомых, и на их основе созданы и продолжают разрабатываться эффективные препараты.

Использование микроорганизмов в качестве биопестицидов - сравнительно новое направление биотехнологии, но уже имеющее существенные достижения. В настоящее время бактерии, грибы, вирусы находят все более широкое применение в качестве промышленных биопестицидов.

Технология производства этих препаратов весьма различна, как различна природа и физиологические особенности микроогранизмов-продуцентов. Однако имеется ряд универсальных требований, предъявляемых к биопестицидам, основными среди них являются:

- селективность и высокая эффективность действия,

-безопасность для человека и полезных представителей флоры и фауны,

--длительная сохранность и удобство применения,

-хорошая смачиваемость и прилипаемость.

В настоящее время для защиты растений и животных от насекомых и грызунов применяются, помимо антибиотиков, около 50 микробных препаратов, относящихся к трем группам: это бактериальные, грибные и вирусные препараты

Бактериальные препараты

К настоящему времени описано свыше 90 видов бактерий, инфицирующих насекомых. Большая их часть принадлежит к семействам Pseudomonadaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Micrococcaceae, Bacillaceae.

Большинство промышленных штаммов принадлежит к роду Bacillus, и основная масса препаратов (свыше 90 %) изготовлена на основе Bacillus thuringiensis (Bt), имеющих свыше 22 серотипов. Штаммы Bt используют для борьбы с различными вредителями - гусеницами, комарами, мошкой.

Впервые Bt была выделена в 1915 г. Берлинером из больных гусениц мельничной огневки. Штаммы Bacillus thuringiensis, помимо образования спор, которые при попадании внутрь насекомого вызывают септицемию,синтезируют также ряд экзо- и эндотоксинов.

Препараты на основе Bt относятся к токсинам кишечного действия.

Типичными последствиями их воздействия являются паралич кишечника, прекращение питания, развитие общего паралича и гибель насекомого.

Узким местом при производстве энтомопатогенных бактериальных препаратов является борьба с фаголизисом. Есть предположение, что вирулентность и фагоустойчивость бактериальных штаммов находятся в обратной зависимости, поэтому невозможно сочетать эти свойства в одном штамме. Для избавления от фаголизиса ведется селекция на фагоустойчивость среди производственных штаммов; рекомендована смена культивируемых штаммов, а также строгая регламентируемость и стерильность на стадии ферментации.

Первый отечественный препарат получен на основе Bac. Thuringiensis var. dalleriae - энтобактерин. Препарат выпускается в виде сухого порошка с содержанием спор и кристаллов эндотоксина по 30 млрд./г, пасты с наполнителем, а также жидкости в смеси с прилипателем.

Эффективен против чешуекрылых насекомых (капустной белянки, капустной моли, лугового мотылька, пяденицы, шелкопряда, боярышницы и др.). Применяют препарат путем опрыскивания растений суспензией из расчета 1-3 кг/га для овощных и 3-5 кг/га - для садовых культур с использованием наземных и авиационных опрыскивателей.

Дендробациллин является препаратом для защиты леса от сибирского шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. Препарат не токсичен для полезной энтомофауны, исключение составляют тутовый и дубовый шелкопряд, применяется и действует аналогично энтобактерину.

Инсектин - по действию аналогичен дендробациллину, предназначен для борьбы, главным образом, с сибирским шелкопрядом. Получен на основе Bac. thuringiensis var. insectus.

БИП - биологический инсектицидный препарат, изготавливается в виде сухого порошка и пасты на основе Bac. thuringiensis var. darmstadiensis; эффективен против вредителей плодовых (от яблочной и плодовой молей, пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей).

Грибные препараты. Многочисленные виды энтомопатогенных грибов широко распространены в природе; они поражают широкий круг насекомых, обладая для этого различными механизмами, включая контактный, что облегчает их применение.

Грибы хорошо сохраняются в виде спор и продуцируют разнообразные биологически активные вещества, усиливающие их патогенность. Однако грибные препараты не применяются пока достаточно широко. Это связано, во-первых, с определенными технологическими трудностями, возникающими при их культивировании и, во-вторых, - обусловлено жесткими требованиями к факторам окружающей среды (высокая активность грибных препаратов проявляется только в условиях высокой и стабильной влажности).

Известны сотни видов энтомопатогенных грибов, но наиболее перспективными считаются две группы грибов - мускаридные грибы из Euascomycetes и энтомотрофные из семейства Entomophtohraceae.

Основное внимание привлекают следующие грибные патогены: возбудитель белой мускардины (род Beauveria), возбудитель зеленой мускардины (род Metarhizium) и Enthomophthora, (поражающий сосущих насекомых).

И. И. Мечников, открыв возбудителя зеленой мускардины у хлебного жука и применив препарат из гриба Metarhizium anisopliae, заложил основу новому направлению защиты растений. У большинства грибов возбудителем инфекции являются конидии.

Грибы в отличие от бактерий и вирусов, проникают в тело насекомого не через пищеварительный тракт, а непосредственно через кутикулу.

При прорастании конидий на кутикуле насекомого ростовые трубки могут развиваться на поверхности или сразу начинают прорастать в тело; часто этот процесс сопровождается образованием токсина.

Если штамм слабо продуцирует токсин, мицелий достаточно быстро заполняет все тело насекомого.

Заражение насекомых грибными патогенами в отличие от других микроорганизмов может происходить на различных стадиях развития (в фазе куколки или имаго).

Грибы быстро растут и обладают большой репродуктивной способностью. Для того чтобы применение грибных препаратов было эффективным, надо применять их в определенное время сезона и в оптимальной концентрации.

Перспективы грибных препаратов очевидны. Однако необходимы серьезные исследования для понимания этиологии вредителей. Это позволит предвидеть последствия взаимодействия между растением, вредителем и биопестицидом. Достижения последних лет свидетельствуют о принципиальной применимости методов генной инженерии для изучения физиологии, генетики и биохимии грибов. Это может привести к большему интересу к грибам как возможным продуцентам биопестицидов и, следовательно, к созданию более стойких и эффективных препаратов на их основе.

Вирусные препараты. Весьма перспективны для защиты растений энтомопатогенные вирусы. Вирусы чрезвычайно контагиозны и вирулентны, узко специфичны по действию, хорошо сохраняются в природе вне организма-хозяина. Эти препараты вследствие высочайшей специфичности практически полностью безопасны для человека и всей биоты.

Заражаются насекомые вирусами при питании. Попавшие в кишечник тельца-включения разрушаются в щелочной среде. Освободившиеся вирионы проникают через стенку кишечника в клетки и реплицируются в ядрах. Вирусы способны размножаться только в живой ткани организма-хозяина.

Это обстоятельство делает очень трудоемкой процедуру получения вирусного материала в значительных количествах.

Получают вирусный материал при размножении вирусов в насекомых. После гибели насекомых их массу измельчают, затем выделяют вирусный материал и подвергают очистке.

В соответствии с рекомендациями Всемирной Организации Здравоохранения 1973 г. особое внимание при изучении вирусов было обращено на одну группу вирусов -бакуловирусы. В этой группе отсутствуют вирусы, патогенные для позвоночных.

Однако другие группы - вирусы цитоплазматического полигедроза, энтомопатогенные вирусы и иридовирусы - содержат потенциальные биопестициды против насекомых, поэтому сейчас рассматриваются как перспективные биопестициды

Первый вирусный инсектицид был выпущен компанией «Сандоз» в 70-е годы 20 века. Препарат предназначен для борьбы с коробочным червем хлопчатника.

Производство вирусных препаратов основано на массовом размножении насекомого-хозяина на искусственных средах. На определенной стадии развития насекомое заражают, добавляя суспензию вирусов в корм.

Спустя 7-9 суток погибших гусениц собирают, высушивают и измельчают. В измельченную массу добавляют физиологический раствор (1 мл на 1 гусеницу), взвесь фильтруют.

Осадок суспендируют в небольшом количестве физиологического раствора и заливают глицерином. Препарат стандартизуют (титр 1 млрд. полиэдров/мл) и разливают во флаконы.

Одна зрелая гусеница способна дать до 36 млрд. телец-включений, что составляет до 30 % ее массы. Существует два метода применения вирусных препаратов:

- интродукция вирусов в плотные популяции насекомых на сравнительно небольших площадях

- обработка зараженных участков путем опрыскивания или опыления на ранних стадиях развития личинок.

Отечественной промышленностью выпускается несколько вирусных препаратов; в том числе «вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки), «вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда), «вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда), «вирин-ЭКС» (против капустной совки). В США усовершенствован процесс производства нескольких вирусных препаратов для защиты лесов («ТМ-Биоконтрол» и «Циптек»).

Вследствие достаточной трудоемкости производства эти препараты пока не нашли массового применения. Специалисты считают, что потребуются годы, чтобы вирусные препараты смогли занять значительное место на рынке биопестицидов.

Литература

1. Биотехнология и промышленная экология. Труды химико-технологического института им..Менделеева. Текущие выпуски.

2. Биотехнология сегодня /Вестник РАН, 1998, т 68, 2.- с:103-105.

3. Сэссон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. -С.255-293.

4. Водный кодекс РФ. ФЗ 1995 г. Российская газета Зеленый мир. Российская экологическая газета. Сообщения в 1996, №5. - С.З; 1998, № 28. - С.З; 1999, № 21.- С.З; 2001, №19-20.- С.24

5. Волова Т.Г. Биотехнология. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с. С. 234-241.

6. Ч. Грэй, Д. Олсон. Метанол-перспективное топливо / В мире науки, 1990, № 1. - С.72-79

7. Дугов Ю. С,. Родин А. А «Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов».

8. Коронелли Т.В. Принципы и методы интенсификации биологического разрушения углеводородов в окружающей среде (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология, 1996. т.34. № 6. С. 579-585.

9. Морозов Н. В. Самоочищение как резерв улучшения качества вод, загрязненных нефтью // Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М.: Наука, 1980. С. 115-118.

10. Отраслевой документ: Технология очистки различных сред и поверхностей, загрязненных углеводородами/ Экологический вестник России. 2002, №5.-С.34-36.

11. Соколова П. Н. Комплексная оценка загрязнения атмосферного воздуха города. Здоровье города-здоровье человека. Программа и тезисы конференции. Ростов н/Д, 29 марта 2001 г.- С.75.

12. Степаньян О.В., Афанасьев Д.Ф. Биологическая очистка загрязнений речной и морской воды с помощью м акр офитов. Здоровье города - здоровье человека. Программа и тезисы конференции. Ростов н/Д, 29 марта 2001 г.-с. 124-127.

13. Сэссон Л. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. -С.262-264.

14. Природа. 1986, № 8.-С. 118

15. С.С.Тимофеева. Санитарно-техническая гидробиология и водная токсикология. Иркутск. Изд-во ИГУ, 1986.-С. 109-114.

16. Экология и жизнь (журнал). 2002, № 2.-С.51.

17. Хоружая Т.А. Оценка экологической опасности. М.: Книга-сервис, 2002.-С.196-197.

Размещено на Allbest.ru