Экологическая биотехнология

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. Цели и задачи экологической биотехнологии как науки

Биотехнология -- наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения ан-тибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья и так далее.

Основная цель биотехнологии -- промышленное использование биологи-ческих процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм мик-роорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свой-ствами.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся - создание и широкое освоение:

· новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста,);

· микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите-лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений;

· ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для по-вышения продуктивности животноводства;

· новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

· технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйствен-ных, промышленных и бытовых отходов, сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза.



2. Биосистемы и объекты, используемые в экологической биотехнологии

Объекты биотехнологии - многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.), макроорганизмы (растения и животные), а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы).

Объекты биотехнологии делятся на три надцарства: акариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, микроскопические водоросли, грибы, растения и животные, простейшие. К микроорганизмам, используемым в биотехнологических процессах, относятся бактерии, актиномицеты, дрожжи и плесени.

Биосистема - (от греч. bios - жизнь, systema - объединение, сово- купность) - живые объекты различной сложности, представляющие собой совокупность компонентов, взаимосвязанных в единое целое. К биосистемам относят клетки, организмы, популяции, виды, сообщества, биоценозы. Биосистему принято разделять на различные уровни организации живой материи.

Основные уровни:

1) На молекулярном уровне описываются молекулярные процессы, происходящие в живых клетках, а также и сами молекулы с точки зрения их включения в состав клетки.

2) Клеточный уровень включает в себя простейшие одноклеточные организмы, а также совокупности различных клеток, являющихся частями многоклеточных организмов.

3) На организменном уровне сосуществуют различные многоклеточные растения, животные, грибы, а также различные микроорганизмы (в том числе, одноклеточные) с точки зрения их влияния на многоклеточные существа.

4) На популяционно-видовом уровне биосистемы учеными изучаются процессы, протекающие в популяциях и видах различных живых существ, объединенных между собой генофондом и способом воздействия на окружающую среду.

5) Самый главный и обширный уровень организации жизни - это биосферный, где изучаются многочисленные связи между человеком и биогеоценозным уровнем.

3. Основные компоненты биотехнологических систем

Структура и особенности биотехнологии могут охватывать отдельные операции или процесс в целом. Совершенствование биотехнологического процесса может привести к созданию новых структурных единиц и к ликвидации устаревших.

Определяющими факторами в данном случае являются:

- используемый биологический агент;

- субстрат и его биохимические и биофизические характеристики;

- аппаратурное оформление, включая системы контроля и управления;

- технологический режим или способ реализации;

- соответствие технологических процессов, оборудования, помещений, качества продукции и ее упаковки международным требованиям GMP.

Состав любой биотехнологической системы может быть представлен схемой.

Основные компоненты биотехнологической системы

Биологическим агентом биотехнологической системы может быть клетка (прокариот, эукариот) или вирусная частица.

Субстратом является питательная среда для культивирования клеток, продуктом биомасса клеток, вирусов или синтезируемое клетками вещество, которому при соответствующей обработке придается товарный вид.

Одним из основных элементов аппаратурного обеспечения биотехнологического процесса является биореактор (аппарат-культиватор, ферментер). При определенных параметрах и режимах культивирования в биореакторах можно выращивать практически любые клетки.

4. Характерные особенности биотехнологических процессов, используемые при переработке опасных отходов и выбросов

Биотехнологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин - биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех основных направлениях:

1. деградация органических и неорганических токсичных отходов;

2. возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы;

3. получение ценных видов органического топлива.

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

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

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.

Минеральные взвеси, илистые наносы, поступающие с поверхностными смывами и ливневыми стоками, хорошо поддаются переработке при использовании следующих биотехнологических способов: агротехнические приёмы, планировка ландшафтов, озеленение, заградительные биобарьеры, биоплато, фитостабилизация, фитомелиорация, биофлокуляция.

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.

5. Основные направления развития методов экобиотехнологии

Цель природоохранной биотехнологии и микробиологии -- обезвредить последствия негативного влияния на окружающую среду и обеспечить человечеству хорошие условия жизни в экологически чистых местах обитания. Наиболее эффективные методы экобиотехнологии, по сути, представляют интенсификацию природных процессов.

В первую очередь это загрязнения, разлагаемыми в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Почти на любое вещество, даже не свойственное природе (ксенобиотик), находится микроорганизм или группа микроорганизмов, которые разлагают его до простых соединений. Пример -- микробное разложение пестицидов и гербицидов.

Загрязнение тяжелыми металлами представляет собой колоссальную проблему. Но существуют микроорганизмы, которые помогают получать металлы из того, что уже отработано и выброшено.

Важной проблемой является биотехнология очистки сточных вод. С помощью микроорганизмов в условиях активной аэрации (активного снабжения воздухом).

Важно также разработать эффективные методы для рекультивации и использования загрязненных территорий, которые заняты свалками.

6. Биотехнологические приемы редеградации сред, загрязненными техногенными отходами

В индустриально развитых странах биологические методы все более активно используются для решения проблем очистки загрязненных сред. Редеградация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов -- растений, грибов, насекомых, червей и других организмов

Приоритетными загрязнителями являются:

- нефть и нефтепродукты,

- тяжелые металлы и радионуклиды,

- пестициды,

- хлорорганические соединения,

- различные соединения ароматического ряда (фенолы, ксилол).

По способу организации процесса биологической очистки принято различать способы in situ, on site, ex situ.

Способ in situ связан с обработкой загрязненного участка непосредственно по месту загрязнения. Способ on site предполагает сбор и обработку загрязненного материала вблизи места загрязнения. Способ ex situ связан со сбором и обработкой загрязненного материала на специально оборудованных площадках, в биореакторах и других установках.

Самый простой в реализации - способ in situ, но наиболее оптимальные условия для работоспособности микроорганизмов может обеспечить способ ex situ.

7. Микробная минирализация, деградация и детоксикация загрязнителей

Ксенобиотики - чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и вредно влияют на все живое. Накопление ксенобиотиков представляет огромную опасность для человека, употребляющего в пищу крупную рыбу или высших животных.

В биодеградации сложной органической молекулы обычно участвуют несколько разных ферментов. Кодирующие их гены могут иметь хромосомную локализацию, но чаще входят в состав крупных (50-200 т.п.н.) плазмид, а иногда обнаруживаются как в хромосомной, так и в плазмидной ДНК. Биодеградация органических соединений часто происходит довольно медленно. Часть этих проблем можно решить, осуществив конъюгационный перенос плазмид, которые кодируют ферменты разных катаболических путей, в один реципиентный штамм. Если две плазмиды содержат гомологичные участки, то между ними может про изойти рекомбинация с образованием гибридной плазмиды, которая имеет больший размер и обладает свойствами исходных плазмид. Если же две плазмиды не содержат гомологичных участков и относятся к разным группам несовместимости, то они могут сосуществовать в одной бактерии.

8. Микробиологическая конверсия отходов в полезные продукты

Создание любого микробиологического производства требует проведения предварительных лабораторных исследований. Они заключаются в поиске продуцентов, всестороннем изучении их свойств и оптимизации способов культивирования. Следующим этапом является масштабирование процесса и испытание его в промышленных условиях. При этом происходит постепенный переход от культивирования микроорганизмов в колбах к выращиванию в лабораторных ферментерах и затем - в промышленных установках большого объема. На таком заводе всегда функционирует микробиологическая лаборатория, сотрудники которой постоянно следят за состоянием микроорганизма-продуцента, способного видоизменяться в процессе производства и хранения. Они контролируют отсутствие посторонних микроорганизмов и бактериофагов, создают условия для поддержания высокой активности продуцента, следят за расщеплением продуцента на диссоциативные варианты, проводят периодические рассевы, отбирая высокопродуктивные колонии микроорганизма.

Приготовление кормов для сельскохозяйственных животных

Растительный материал для скармливания скоту (трава, сочные корма, а также капуста, огурцы и помидоры) можно сохранить в виде силоса с помощью молочнокислого брожения под действием природных популяций микроорганизмов, ассоциированных с наземными частями растений. Образующаяся при силосовании молочная кислота снижает рН корма и тем самым консервирует его. После силосования корма могут храниться довольно долго, но, как правило, их хранят до следующего урожая.

Материалы для хорошего силоса богаты углеводами и содержат относительно немного белка и воды. Это зеленая масса кукурузы, большинства зерновых, подсолнечника и турнепса. Медоносные травы, клевер, сено обычно силосовать труднее, а вика и горох не подвергаются силосованию.

Скошенную траву или сочные корма, приготовленные для силосования, режут, подсушивают, прессуют и закладывают в силосные башни, наземные хранилища или в силосные ямы для создания анаэробных условий. На начальном этапе силосования аэробные микроорганизмы и факультативно анаэробные энтеробактерии потребляют весь кислород в растительной массе. Это способствует преимущественному развитию и доминированию гомоферментативных лактобацилл, стрептококков, лактококков и лейконостока, которые образуют молочную кислоту и постепенно снижают рН до 4,0. При недостаточно быстром закислении может начаться рост Clostridium butyricum, который превращает лактат в масляную кислоту, придающую корму неприятный вкус и запах. Силос становится несъедобным для животных. Росту этого микроорганизма препятствует достижение значения рН ниже 4,5. На более поздних стадиях силосования преобладают кислотоустойчивые Lactobacillus plantarum, L. fermentum и L. brevis.

При производстве другого вида корма - сенажа, брожению подвергается подсушенная растительная масса с влажностью 50-65%. Несмотря на довольно высокое значение рН (около 5) гнилостные процессы происходят очень медленно, а процесс молочнокислого брожения активизируется за счет развития устойчивых к понижению активности воды представителей рода Lactobacillus. В сенаже содержатся умеренные количества лактата и ацетата.

В качестве дополнительного корма для животных могут быть использованы белково-витаминные концентраты (БВК) из биомассы различных микроорганизмов, выращенных на отходах пищевой промышленности. Некоторые индивидуальные вещества микробного происхождения (ферменты, аминокислоты, органические кислоты, витамины) также могут применяться как кормовые добавки, улучшающих структуру и усвоение кормов.

9. Биотехнология обезвреживания сточных вод растениями

Водные растения в водоемах выполняют следующие основные функции:

· фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных веществ);

· поглотительную (поглощение биогенных элементов и некоторых органических веществ);

· накопительную (способность накапливать некоторые металлы и органические вещества, которые трудно разлагаются);

· окислительную (в процессе фотосинтеза вода обогащается кислородом);

· детоксикационную (растения способны накапливать токсичные вещества и преобразовывать их в нетоксичные).

Способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества -- биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты -- и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами, что контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как биологическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК), позволила использовать их в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока. Во многих странах Америки довольно широко используется системы очистки шахтных вод на плантациях камыша и тростника.

Австралийские ученые разработали способ очистки поверхностного стока от автомагистралей. Дороги не обустраиваются бордюрами, сбор стока осуществляется фильтрационными траншеями, заполненными на глубину 0,8 м гравием. На дне траншеи прокладываются сборные трубопроводы диаметром 150 мм, которые транспортируют сток для дальнейшей очистки в биоплато.

При очистке сточных вод чаще всего используют такие виды высших водных растений (ВВР), как камыш, тростник озерный, рогоз узколистый и широколистый, рдест гребенчатый и курчавый, спироделла многокоренная, элодея, водный гиацинт (эйхорния), касатик желтый, сусак, стрелолист обычный, гречиха земноводная, резуха морская, уруть, хара, ирис и пр.Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов.

Известно, что камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах. Он способен удалять из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины и прочие органические вещества.

Значительную роль в процессах доочистки выполняют сапрофитные бактерии, которые вместе с ВВР успешно выполняют роль дезинфектантов за счет своих продуктов обмена и антагонизма с бактериями-гетеротрофами, что в ряде случаев позволяет избежать использования систем хлорирования или озонирования воды.

Фильтрация сточной воды может осуществляться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. На поверхности загрузки высаживаются наиболее стойкие древесно-кустарниковые и/или травянистые растения.

10. Культивирование растений в системах очистки воды

Использование: при совместном выращивании рыбы и растений в системах с оборотным водоснабжением, с регулируемыми условиями среды обитания рыбы и гидропонного выращивания растений, исключающим сброс воды и осадков, а также обеспечивающим утилизацию биогенных веществ, содержащихся в воде и осадках.

Способ обработки воды в процессе совместного выращивания рыбы и растений, включающий отвод воды из рыбоводного бассейна, ее механическую и биологическую очистку, доведение до определенной температуры, смешение со свежей водой и питательными веществами, циркуляционный пропуск воды через корневую систему растений и возврат в рыбоводный бассейн, отличающийся тем, что воду после механической и биологической очистки разделяют на два потока, в рыбоводный бассейн возвращают один поток, другой поток с повышенной концентрацией взвешенных частиц аккумулируют и разделяют на надосадочную воду и сгущенный осадок, и последний направляют для получения компостной земли, а для циркуляционного пропуска через корневую систему растений используют надосадочную воду, при этом в период роста рассады часть надосадочной воды подают на биологическую очистку, питательные вещества вносят в надосадочную воду в период вегетационного роста растений и в этот же период в нее добавляют воду, прошедшую механическую очистку, смешению со свежей водой и доведению до определенной температуры подвергают поток воды, возвращаемый в рыбоводный бассейн, и его же перед подачей в бассейн насыщают кислородом.

11. Биоремедиация почв и условия ее успешного использования

Для биологической очистки (биоремедиации) загрязненных наземных и водных экосистем применяются биопрепараты и биосорбенты, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами.

Биоремедиация (от греч. bios - жизнь, remedio - лечение) биологическая очистка, т.е. удаление загрязнителей (излечение экосистемы) посредством стимуляции деятельности биоты в почвах и водоемах.

Биологические методы очистки, доказали свою эффективность, сравнительную экономичность и экологичность при очистке сточных промышленных и бытовых зафязненных вод и других сред. Вместе с тем особенности биологических систем не позволяют их активно использовать при работе с высококонцентрированными стоками, объемы которых в последнее время ускоренно увеличиваются. Это определяется как токсичностью веществ стоков, так и их низкой биодоступностью. В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация проводится в открытой системе, где такой контроль затруднен.

Окислительная способность по отношению к нефти и нефтепродуктам - одна из характеристик биопрепаратов, предназначенных для биоремедиации нефтезагрязненных почв и водных поверхностей.?

Для эффективных процессов биоремедиации и биоочистки температура - один из наиболее важных факторов окружающей среды. Оптимальная температура для большинства микроорганизмов-биодеструкторов 30-37 °С. ?

Биоремедиация имеет непосредственное отношение и к уничтожению химического оружия. Этот процесс состоит из двух этапов. На первом биологически обезвреживают фосфорорганические соединения (зарин, заман) или химически нейтрализуют такие соединения, как иприт или люизит.

12. Преимущества биоремедиации по сравнению с другими методами очистки почв

По сравнению с другими методами биологическая очистка характеризуется меньшими эксплуатационными затратами, простотой в эксплуатации, универсальностью, относительно небольшим образованием малотоксичных и нетоксичных вторичных отходов (III, IV класса опасности) и позволяет перерабатывать большие количества сточных вод различного состава.

?§№увствительностью и небольшим диапазоном допустимых изменений параметров окружающей среды (To, pH, концентрация примесей), необходимостью строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичностью некоторых органических веществ для биоценоза активного ила и их биостойкостью, необходимостью предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

Биоремедиация загрязнённых почв - это набор методов, основанных на применении биологических агентов для очистки их от ксенобиотиков (поллютантов). Чаще всего для биоремедиации почв используют микроорганизмы (бактерии и грибы), реже - растения

Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода:

- загрязнённую почву удаляют с места загрязнения и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за её пределы, вспахивают для обеспечения доступа кислорода к почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества.

- загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 м. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции биодеградации. В этом случае почву обычно смешивают с каким-нибудь рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию.

13. Специально адаптированные микроорганизмы для очистки сточных вод от органических соединений

Цианобактерии: исследователи из Школы инженерии и прикладных наук им. Генри Самуэли при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе генетически модифицировали цианобактерии (сине-зелёные водоросли), которые теперь способны поглощать CO2 и вырабатывать жидкое топливо изобутан, имеющий большой потенциал в качестве альтернативы бензину. Реакция происходит под действием солнечной энергии через фотосинтез. Новый метод имеет два преимущества. Во-первых, снижается объём парниковых газов из-за утилизации CO2. Во-вторых, получаемое жидкое горючее может быть использовано в нынешней энергетической инфраструктуре, в том числе в большинстве автомобилей. Используя цианобактерии Synechoccus elongatus, исследователи генетическим путём увеличили количество захватывающего углекислый газ фермента. Затем были внедрены гены от других микроорганизмов, позволившие поглощать CO2 и солнечный свет. В результате бактерии производят газ изобутеральдегид[5].

Биофильтрация является наиболее выгодной с экономической точки зрения и наиболее отработанной технологией очистки отходящих газов. Она может быть успешно использована для защиты атмосферы на предприятиях пищевой, табачной, нефтеперерабатывающей промышленности, станциях очистки сточных вод, а также в сельском хозяйстве.

Институт Биохимии им. А.Н. Баха РАН (ИНБИ) - лидер российского рынка в области биологических методов очистки промышленных вентвыбросов от паров летучих органических соединений (ЛОС). Оно разработало уникальную микробиологическую технологию БИОРЕАКТОР, которая выгодно отличается от существующих методов по своим техническим параметрам, капитальным и эксплуатационным затратам. Основой технологии БИОРЕАКТОР является консорциум природных иммобилизованных микроорганизмов, специально подобранных и адаптированных для высокоэффективной (80-99 %) деградации разнообразных ЛОС, например, ароматических углеводородов, карбонильных, С1-, хлорорганических и многих других соединений. БИОРЕАКТОР также эффективен для удаления неприятных запахов. Способ основан на микробиологической утилизации вредных органических веществ с образованием углекислого газа и воды специально подобранными нетоксичными штаммами микроорганизмами (деструкторами загрязнений), проверенными и зарегистрированными в установленном порядке[16]. Способ реализуется в новой высокоэффективной биофильтрационной установке, обеспечивающей эффективную непрерывную очистку отработанных газовоздушных выбросов от различных органических загрязнений: фенол, ксилол, толуол, формальдегид, циклогексан, уайт-спирит, этилацетат, бензин, бутанол и др.

Существуют также различные биологические препараты - нейтрализаторы запахов, действующие по принципу нейтрализации летучих соединений. Биопрепарат представляет собой комплекс биологических экстрактов растительного происхождения, вступающих в биохимические реакции с летучими соединениями широкого спектра от химических: ацетона, фенолов, до органических: меркаптанов, сероводорода, аммиака, и в результате реакции уничтожающих летучие соединения и нейтрализующих запахи вызванные этими летучими соединениями[16]. Биопрепарат не маскирует запах с помощью ароматизаторов или отдушек, но уничтожает запах путем естественной очистки воздуха от летучих соединений. Результатом действия препарата является приемлемый уровень запаха (интенсивностью 1-2 балла) без посторонних ароматов (ароматизаторов, отдушек).

14. Классификация способов и процессов культивирования микроорганизмов

Характеризуя микроорганизмы, следует отметить 4 разновидности роста, типичные для бактерий, дрожжей, микроскопических грибов и вирусов.??Бактерии размножаются непосредственно делением клеток, когда в процессе роста клетка удваивает свою массу и количество всех составляющих ее компонентов.

Основные положения обратимого равновесного автокаталитического роста популяции микроорганизмов можно сформулировать следующим образом:

· размножение микроорганизмов определяется протеканием двух противоположных процессов -- образования и гибели клеток, т.е. синтеза и деструкции;

· скорость образования микроорганизмов (синтеза биомассы) пропорциональна все увеличивающейся в процессе их культивирования концентрации X и уменьшается с уменьшением концентрации лимитирующего субстрата S;

· скорость отмирания клеток (деструкции биомассы) пропорциональна квадрату их концентрации;

· концентрация питательных веществ, необходимых для размножения микроорганизмов, определяется содержанием в питательной среде одного или нескольких лимитирующих компонентов;

· продукты лизиса погибших клеток (Sx) в кинетическом отношении (количественно, но не качественно) эквивалентны исходному субстрату.

15. Иммобилизированные микроорганизмы. Физиология иммобилизованных микроорганизмов

Культуры клеток и тканей растений считаются потенциальным источником специфических вторичных метаболитов, к которым относятся такие соединения, как алкалоиды, стероиды, масла и пигменты. Многие из этих веществ все еще получают путем экстракции из растений. Не ко всем видам растений в настоящее время применимы методы микробиологической промышленности. За исключением некоторых видов растений, суспензионные и каллусные культуры клеток синтезируют вторичные метаболиты в меньших количествах, чем целые растения. При этом рост биомассы в ферментере может быть значительным.

Новым подходом, направленным на увеличение выхода вторичных метаболитов, является иммобилизация клеток и тканей растений. Первая удачная попытка зафиксировать целые клетки была осуществлена в 1966 г. Мосбахом. Он зафиксировал клетки лишайника Umbilicaria pustulata в полиакриламидном геле. На следующий год ван Вецель выращивал клетки эмбрионов животных, иммобилизованных на микрошариках ДЭАЭ (диэтиламиноэтил сефадекса, на основе декстрана). После этого клетки были иммобилизованы на разных субстратах. В основном это были клетки микроорганизмов.

Методы иммобилизации клеток делят на 4 категории:

Иммобилизация клеток или субклеточных органелл в инертном субстрате. Например, клетки Catharanthus roseus, Digitalis lanata в альгинатных, агарозных шариках, в желатине и т.д. Метод предполагает обволакивание клеток одной из различных цементирующих сред - альгинат, агар, коллаген, полиакриламид.

Адсорбция клеток на инертном субстрате. Клетки прилипают к заряженным шарикам из альгината, полистирола, полиакриламида. Метод применялся в экспериментах с животными клетками, а также клетками Saccharomyces uvarum, S. cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli.

Адсорбция клеток на инертном субстрате с помощью биологических макромолекул (таких, как лектин). Применяется редко, есть сведения об экспериментах с различными линиями клеток человека, эритроцитами крови барана, адсорбированными на покрытой белком агарозе.

Ковалентное связывание с другим инертным носителем типа КМЦ. Очень редко применяется, известна удачная иммобилизация для Micrococcus luteus. В основном проводились эксперименты по иммобилизации клеток животных и микроорганизмов.



16. Типы реакторов с иммобилизованными микроорганизмами

Иммобилизация - это прикрепление клеток микроорганизмов или ферментов к нерастворимым носителям.

Первым целенаправленным применением иммобилизованных клеток, возможно, было создание Пастером агрегата для получения уксуса, в котором клетки Acetobader прикреплялись к поверхности деревянной стружки. Этот тип биореактора, капельный фильтр, до сих пор применяется при производстве винного уксуса и для очистки сточных вод.

Большинство современных биореакторов представляют собой ферментеры для периодического культивирования с перемешиванием. Однако проблема иммобилизации клеток тесно связана с непрерывным культивированием. Кроме того, в ферментерах с перемешиванием частицы с иммобилизованными клетками часто разрушаются. Поэтому необходимо создавать другие типы реакторов для использования иммобилизованных клеток. Несмотря на большое число статей, посвященных методам иммобилизации клеток, практически отсутствует подробное рассмотрение реакторов с иммобилизованными клетками.

Выбор реактора для каждого конкретного процесса определяется множеством факторов. Сюда входят метод иммобилизации, характеристики частиц (форма, размер, плотность, прочность), природа субстрата, влияние ингибиторов, кроме того, гидродинамические и экономические соображения. Реакторы с иммобилизованными клетками могут работать в периодическом или непрерывном режиме, хотя, в общем, несколько больше преимуществ у первых. Системы, работающие в непрерывном режиме, могут эксплуатироваться как реактор идеального вытеснения или как реактор полного смешения. Реакторы полного смешения часто более предпочтительны в тех случаях, когда в ферментере нежелательны высокие концентрации субстрата из-за его ингибирующего действия, но они не очень пригодны в случае ингибирования процесса конечным продуктом, так как все клетки оказываются подвержены действию ингибирующих концентраций продукта. Существуют трудности в снабжении кислородом и управлении реакторами идеального вытеснения.

Обычно в процессах биотрансформации, даже если они осуществляются живыми клетками микроорганизмов, целевым продуктом является не биомасса, а продукт биотрансформации.

Наилучшим способом при этом является непрерывный процесс, в котором через аппарат протекает жидкость, а пространство аппарата заполнено иммобилизованным биокатализатором, который остается в аппарате в течение довольно продолжительного времени.

17. Полимерные насадки. Загрузки волокнистой структуры в качестве носителей специализированной микрофлоры в системах очистки воды

В биологическом фильтре (биофильтре) сточные воды обтекают поверхность загрузочного материала, покрытого биологической пленкой (биопленкой), которая образуется колониями аэробных микроорганизмов. Био фильтр состоит: из корпуса, загрузки, дренажного, водяного и воздухораспределительного устройств.

Проходя через загрузочный материал, загрязненная сточная вода оставляет на нем нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества. Органика собирается биопленкой, которая покрывает поверхность загрузочного материала. Микроорганизмы, образующие биопленку, окисляют органические вещества, используя их как источник питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, и в то же время увеличивается масса активной биопленки в теле биофильтра. Омертвевшая биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.



18. Биологические источники загрязнения атмосферы

Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на 3 большие группы.

К первой из них относятся практически все виды современного транспорта: автомобильный, железнодорожный, воздушный, морской и речной, -- это т.н. транспортные загрязнители. Трубопроводный транспорт из этого списка исключен, т.к. считается экологически безопасным, с отсутствием потерь грузов в процессе транспортировки при полной механизации и автоматизации трудоёмких погрузочно-разгрузочных работ.

Ко второй группе источников искусственного загрязнения можно отнести все промышленные предприятия, осуществляющие выбросы при технологическом процессе либо отоплении. Это промышленные загрязнители.

Наконец, к третьей группе -- бытовым загрязнителям -- можно отнести жилые дома, т.к. жильцы, проживающие в этих самых домах часто сжигают топливо и способствуют формированию тысяч тонн бытовых отходов, которые затем сжигаются либо перерабатываются, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха метаном, который в обычных условиях не токсичен, но способен образовывать взрывоопасные смеси и кроме того удушающе действует в замкнутом пространстве. В развивающихся странах с низким уровнем жизни и использованием для обогрева жилиц древесины, соломы или навоза именно бытовые загрязнители являются основными.

19. Составы газовых смесей подверженных биологической очистке

Наиболее полная очистка производственных сточных вод, содержащих органические вещества в растворенном состоянии, достигается биологическим методом. При этом используются те же процессы, что и при очистке бытовых вод, -- аэробный и анаэробный. Для аэробной очистки применяют аэротенки различных конструктивных модификаций, окситенки, фильтротенки, флототенки, биодиски и биологические пруды; при анаэробном процессе для высококонцентрированных сточных вод, применяемом в качестве первой ступени биологической очистки, основным сооружением служат метантенки.

Для полной очистки высококонцентрированных сточных вод применяют анаэробно-аэробное окисление.

Скорости аэробного окисления при биологической очистке производственных сточных вод изменяются в широких пределах от 10 до 30 мг/г активного ила в 1 ч (в пересчете на беззольное вещество) и являются функцией видового и количественного состава активного ила, начальной концентрации загрязнений, требуемой степени очистки, биохимической структуры загрязнений, а также физических параметров процесса (интенсивности перемешивания, рН, температуры и т. д.). Чем выше исходная концентрация загрязнений (до определенных пределов) и чем меньше требуемая степень очистки, тем выше скорость окисления Скорости аэробного окисления и анаэробного сбраживания определяют экспериментально.

При биологической очистке производственных сточных вод для развития микробиальных культур должны быть созданы оптимальные условия. В этом направлении наиболее перспективными являются аэротенки, работающие с высокими дозами активного ила; окситенки, снабжаемые чистым кислородом, и аэротенки с неравномерно-рассредоточенным впуском сточной воды.

Способ биологической очистки в аэробных условиях возможен, если содержащиеся в производственных сточных водах органические и минеральные вещества способны окисляться в результате биохимических процессов и если условия среды, т. е. наличие растворенного кислорода, величина рН, температура и концентрация в воде вредных веществ не превышают те предельно допустимые величины, при которых не нарушается жизнедеятельность микроорганизмов. Во всех случаях очищаемая вода должна содержать необходимое количество биогенных элементов (азота, фосфора, калия, железа и др.)

Многие производственные сточные воды приходится подвергать предварительной обработке и добавлять в них биогенные элементы.

Процесс очистки протекает более устойчиво и полно в тех случаях, когда очищают смесь производственных и бытовых сточных вод. Объясняется это тем, что бытовые воды содержат необходимые биогенные элементы, а также служат для разбавления. Часто для быстрой инокуляции очистных сооружений микроорганизмами -- минерализаторами к производственным водам добавляют бытовые воды, особенно в пусковой период.

20. Микроборганизмы для разложения и детоксикации загрязнителей воздушной среды их физиология и способы культивирования

Биореактор, ферментер или ферментатор - это закрытая или открыта емкость, в которой при определенных условиях (давление, температура, концентрация сухих веществ, рН среды и т.д.) протекает на клеточном или молекулярном уровне контролируемая реакция, осуществляемая с помощью микроорганизмов.

Периодический процесс включает:

а) стерилизацию сред, биореакторов и вспомогательного оборудования;

б) загрузку аппарата питательной средой

в) внесение посевного материала (клеток, спор);

г) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему;

д) синтез целевого продукта;

е) отделение и очистку готового продукта. Речь идет о временной последовательности этапов, по окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

Этап роста культуры включает несколько фаз:

а) лаг-фазу - сравнительно медленный рост внесенной культуры, осваивающей новую среду обитания в объеме биореактора;

б) экспоненциальную фазу - бурное деление клеток, сбалансированный рост культуры;

в) фазу замедленного роста, связанного с исчерпанием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболизма;

г) стационарную фазу - прирост клеток равен их убыли;

д) фазу отмирания - постепенное снижение числа жизнеспособных клеток.

Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так называемые первичные метаболиты ) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и т.д. -- так называемые вторичные метаболиты или идиолиты ).

Широко применяют периодическое культивирование с подпиткой: помимо внесения питательного субстрата в реактор до введения в него биообъекта, в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект.

Существует также отьемнодоливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентною объема среды. Это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания. Такой режим культивирования в значительной мере уподобляется непрерывному процессу, поэтому называется также полунепрерывным культивированием.

В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой. Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования.

21. Очистка и дезодорация промышленных газов с помощью микроорганизмов

Биологические методы очистки и дезодорации газов основаны на сорбции загрязняющих веществ из газового потока водной фазой, с последующей деструкцией сорбированных веществ микроорганизмами, эффективны для удаления загрязнений в диапазоне концентраций 5-1000 мг/м3.

Наибольшее распространение эти методы получили для удаления неприятно пахнущих веществ - биодезодорации газов. В основе биологической дезодорации газов лежит способность многих микроорганизмов окислять спирты, альдегиды, кетоны, органические кислоты, эфиры, ароматические соединения, азотсодержащие соединения (аммиак, метиламин, индол, скатол и др.) и особенно серосодержащие соединения, составляющие болыпую часть летучих соединений с наиболее неприятным запахом.

Процесс биологического удаления неприятно пахнущих веществ (НПВ) из воздуха - НПВ переносятся из воздуха в воду (процесс абсорбции). Вместе с ними из отходящего воздуха в воду переходит также и 02. Загрязнения окисляются микрофлорой в жидкой фазе, при этом вода освобождается от одорирующих веществ (процесс регенерации).

Для удаления NH3, H2S, S02, осуществляемого автотрофными микроорганизмами (нитрификаторами, сероокисляющими и тиобактериями), требуется поступление в систему углекислого газа, который используется микроорганизмами в качестве источника углерода. Углекислый газ может быть подведен с очищаемым газом, с орошающей водой, с носителем. При необходимости в орошающую воду вводят кислоты и щелочи Для поддержания в зоне биоочистки необходимого рН.

Методы микробиологической дезодорации газов подразделяются на методы с использованием твердой фазы - биофильтры(почва, неорганический или синтетический носитель, природный органический носитель) и жидкой фазы - биосорберы(с диспергированием газа (барботирование) и диспергированием жидкости (биоскрубер))

В биофильтре загрязненные газы продуваются через слой биоактивной, сорбирующей, умеренно увлажненной насадки (носитель микроорганизмов). В качестве материалов-носителей используются органические субстанции: торф, дерн, хворост, кора деревьев, древесная щепа, компост, активированный уголь. -Эти носители более пригодны для удаления органических загрязнений с помощью гетеротрофных микроорганизмов. Также могут быть использованы неорганические материалы: керамика, цеолит, гравий, крупнозернистый песок и другие, а также пластмассы. Они подходят для окисления загрязнений автотрофной микрофлорой: нитрификаторами, серо- и тиобактериями.

Наиболее простой вариант дезодорирующей биофильтрации - продувка газов через почвенный слой, при которой загрязненный газ направляют в распределительные каналы под фильтрующим слоем почвы и дренажного материала (зола, шлак). Газ, проходящий через почвенный слой, очищается почвенной микрофлорой.

Другой пример - биофильтр с насыпным слоем компоста. Газ проходит через распределительный короб и пористые керамические трубы под слоем компоста. Избыток воды, поступающей в компостную кучу с очищаемым газом или с атмосферными осадками, отводится через дренажную трубу. Увлажнение компоста обеспечивается распылением воды над верхней поверхностью фильтрующего слоя. Метод с насыпным слоем компоста применяется на заводах по переработке отходов в компост, на животноводческих фермах, в кормозаготовительных цехах и других сельскохозяйственных предприятиях. При его использовании необходимо обеспечивать равномерное и оптимальное увлажнение всей массы компоста. Со временем фильтрующий слой компоста заменяется.

22. Экологические характеристики биотоплива и его экологические характеристики

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород). Самое древний вид биотоплива - это дрова.

Твердое биотопливо.

Самый распространенный представитель вида - дрова. Опустив историю возникновения и эволюцию процесса сжигания древесины, отметим, что в настоящее время для производства дров или биомассы используются, так называемые, энергетические леса. В их составе включают быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). Посадку производят квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4-6 лет. Экологические достоинства энергетической биомассы:

- предупреждение эрозии почвы;

- при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2, поглощенный при ее росте.

Ярким примером использования биомассы является электростанция, находящаяся в Зиммеринге (Австрия). Ее мощность - 66 МВт. Ежегодное потребление биомассы - 190 тысяч тонн.

Другим, пока несколько меньше распространенными видом твердого биотоплива, являются древесные топливные гранулы (ДГТ). Это топливный продукт, полученный прессованием древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины и др.), соломы, отходов сельского хозяйства (навоза, куриного помета, лузги подсолнечника, ореховой скорлупы,) и другой биомассы.

ДГТ - экологически чистое биотопливо, зольность которого не превышает 3 %.

Упрощенно, процесс производства ДГТ (или, как их еще называют, пеллет) выглядит следующим образом. Биосырье поступает в дробилку, где измельчается до консистенции муки. Данная мука передается в сушилку, а уже из неё -- в специальный пресс-гранулятор. Сжатие во время прессовки повышает температуру муки, при этом лигнин, содержащийся в древесине, становится клейким, что позволяет получать на выходе плотные цилиндрики. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку или доставляют потребителю россыпью. Наиболее распространенное применение пеллет - отопление объектов индивидуального строительства (частные дома, коттеджи), а также небольших производственных помещений. Самый динамично развивающийся рынок потребления пеллет - страны Европейского Содружества. По разным оценкам, в некоторых странах Европы до 2/3 жилых помещений отапливаются с помощью пеллет.

Также, среди видов твердого биотоплива необходимо упомянуть топливные брикеты (высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения, например, навоз) и биологические отходы с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, щепа, кора, лузга, солома, шелуха и т.д.). В Европетопливные брикеты, наряду с пеллетами, используют для отопления жилых и производственных помещений, а щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью до нескольких десятков мегаватт.

23. Микроорганизмы-продуценты этанола. Утилизируемые субстрации

Среди бактерий, продуцентов лизина, были найдены мутанты, у которых был блокирован синтез метионина и треонина - аминокислот, синтез которых конкурирует с лизином за источник углерода. Кроме того, у них был найден мутант с измененной структурой важного фермента - аспартаткиназы.

У нормальных бактерий избыток лизина действует именно на этот фермент, уменьшает его активность и таким путем тормозит синтез новых порций лизина. Иными словами, через аспартаткиназу осуществлялась обратная связь, регулирующая количество лизина (больше лизина - медленнее его синтез, меньше лизина - быстрее его синтез). При наследственном изменении структуры аспартаткиназы она по-прежнему участвовала в синтезе лизина, но не реагировала на него - обратная связь прервалась, и лизин мог неограниченно накапливаться. Это, конечно, было невыгодно бактерии, но выгодно человеку.

Большая работа была проведена в нашей стране по получению штамма кишечной палочки - сверхпродуцента другой аминокислоты - треонина. Прежде всего и здесь были получены мутанты с нарушенной обратной связью, регулирующей синтез треонина. Отбор таких мутантов производится довольно изящным образом: в среду добавляют аналог - химически модифицированный треонин, который подавляет синтез настоящего треонина. Это позволяет выбрать такие мутантные клетки среди многих тысяч немутантов. Далее, на следующем этапе работы, количество генов синтеза треонина было увеличено за счет введения в клетки кишечной палочки большого количества плазмид (кольцеобразных ДНК, см. ниже), несущих эти гены.



24. Биофотолиз воды

Первичные стадии фотосинтеза могут быть рассмотрены как своеобразный двухтактный электронный фотонасос, осуществляющий под действием двух квантов света перенос одного электрона от воды к NADP+. Это определяет необходимость использования в суммарной реакции восьми квантов света для получения одной молекулы кислорода из воды. Такая не самая оптимальная с точки зрения энергетики восьмиквантовая схема преобразования солнечной энергии в химическую является результатом эволюционного развития процесса растительного фотосинтеза, первоначально зародившегося как бактериальный. В то же время природный фотосинтез характеризуется уникальной квантовой эффективностью первичных процессов переноса электрона между донорами и акцепторами в результате быстрых (~10-10 с) реакций с участием фотокатализаторов.

Это приводит как к эффективной регенерации фотокатализатора, так и высокому (>90%) КПД разделения зарядов, возникающих на доноре и акцепторе электрона фотосистемы после поглощения кванта света.

Выделение из растительных клеток хлоропластов с сохранением их фотосинтезирующих свойств открывает возможность использования уникального природного фотосинтетического аппарата для получения водорода из воды - биофотолиза воды. Задача сводится в первую очередь к организации в ФС1 каталитического процесса восстановления не NADP+, а воды. Известно, что конечным акцептором электронов в ФС2 является железо-серный белок ферредоксин (Фд), восстановленная форма которого в присутствии специальных катализаторов способна выделять водород из воды. Разработанные к настоящему времени модельные биохимические системы фотолиза воды на основе выделенных из растительных клеток хлоропластов (схема 4) содержат два общих элемента: электронтранспортную цепь (ЦЭТ) фотосинтеза и катализатор образования водорода, в качестве которого могут быть использованы как биологические (гидрогеназа), так и неорганические (коллоидная Pt) катализаторы. В то же время в качестве восстановителя воды может выступать как непосредственно ферредоксин, так и специально введенный в систему промежуточный переносчик электрона М, способный акцептиро-вать электроны из электронтранспортной цепи хлоропластов и в дальнейшем каталитически восста-навливать воду.

...