Размещено на http://www.allbest.ru

ЭКОЛОГИЯ, ЭНЕРГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

1. ЭКОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

В процессе хозяйственной деятельности человек использует энергетические ресурсы (нефть, уголь, газ, дрова и другие виды биотоплива, атомную энергию и др.), что неизбежно приводит к появлению отходов и необходимости решения ряда экологических проблем (утилизация отходов, снижения количества выбросов, поиск альтернативных экологически безопасных источников энергии и др.) Свой вклад в решения этих проблем может внести биотехнология. На стыке биотехнологии, экологии и энергетики возникает ряд интенсивно развивающихся научных направлений, черпающих подходы к решению проблем одной науки на основе методов другой. среда отход биодеградация защита

Экологический кризис охватил практически всю планету. Основная его причина - результаты деятельности человека в промышленности, сельском хозяйстве и других сферах. Усиливается загрязнение окружающей среды промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными отходами, прогрессирует эрозия почвы, уменьшается биоразнообразие, происходят глобальные изменения в биосфере (озоновые дыры, глобальное потепление и др.), изменяется среда обитания организмов и человека. В связи с необходимостью разработки экологически безопасных технологий в промышленности и сельском хозяйстве важная роль отводится биотехнологии. Биотехнологические методы защиты окружающей среды приведены в таблице 1 (М.Е. Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис с дополнениями). Частично эти подходы рассматривались нами в предыдущих главах, поэтому остановимся на одной из главных экологических проблем, в решении которой биотехнология играет важную роль - проблеме утилизации отходов.

В Беларуси в 2001 году предприятиями было образовано свыше 24,5 млн.т отходов, из которых использовано только 13 % . Общее количество отходов на предприятиях составило 723 млн.т. Большое количество твердых и жидких отходов поставляет жилищно- коммунальное хозяйство. Усиливается загрязнение агроландшафта в результате применения пестицидов, удобрений и особенно работы животноводческих комплексов.

В 1992 году в Рио-де-Жанейро на уровне глав правительств была разработана и принята стратегия устойчивого развития (sustainable development), т.е. развития, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности. В Беларуси Национальная стратегия устойчивого развития принята в 1996 году. Такое развитие основано на экологизации промышленности и сельского хозяйства, использовании возобновимых источников энергии, сохранения биоразнообразия, защите окружающей среды, решении проблемы утилизации отходов и др. Все эти проблемы невозможно решить без использования современных биотехнологических методов. В настоящее время можно говорить о развитии нового направления исследований - экологической биотехнологии, науки, использующей методы генетической и клеточной инженерии, созданные на ее основе организмы и технологии для оздоровления и защиты окружающей среды. Наиболее приоритетными задачами в этой области являются переработка отходов, биодеградация ксенобиотиков, использование новых источников энергии и др.

В естественных условиях при загрязнении окружающей среды поллютантами (тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, пестициды и др.) происходит биологическое самоочищение в почве и воде. В этом процессе главную роль выполняют микроорганизмы, снижающие токсичность поллютантов в результате биодеградации.

Таблица 1

Биотехнологические методы защиты окружающей среды (М.Е. Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис с дополнениями).

Однако при сильном загрязнении окружающей среды процесс самоочищения может происходить слишком медленно. Оптимальным решением этой проблемы является интенсификация биодеградации путем биологической очистки стоков с использованием специального оборудования. Принципиальная схема очистки сточных вод представлена на рис. 1. Наиболее распространены аэробная и анаэробная системы переработки отходов.

Рис.1 Схема очистки загрязненных сточных вод. ( М.М.Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис, 1990)

1.1 Аэробная переработка отходов

Методы очистки сточных вод на основе использования микроорганизмов применяются уже около 100 лет. Наиболее простым способом такой очистки является использование полей фильтрации, орошения и окислительных прудов. На полях фильтрации сточная вода медленно фильтруется через грунт, а органические соединения разлагаются микрофлорой почвы и сточных вод. На полях орошения фильтрация сточных вод чередуется с посевом сельскохозяйственных растений. В окислительных прудах разрушение органических веществ происходит аналогично процессам самоочищения в природных водах. Интенсивность процесса разложения может быть повышена в 10 раз при искусственной аэрации. Поля фильтрации, орошения и окислительные пруды отличаются невысокой производительностью. Поэтому очистные сооружения в городах и промышленных центрах используют более эффективные способы аэробной очистки, к которым относятся применение активного ила и биофильтрование. Очистка сточных вод с помощью с помощью активного ила производится в железобетонных бассейнах (аэротенках). Активный ил представляет собой сложный микробоценоз, создающийся в аэротенках в условиях аэрации сточных вод за период от двух недель до нескольких месяцев. Источником микроорганизмов для получения активного ила может быть почва или донный ил водоемов. Активный ил сорбирует и окисляет загрязняющие вещества. Очищенная сточная жидкость отстаивается, а активный ил подвергается регенерации путем усиленной аэрации, после чего поступает в аэротенк повторно. В аэротенках преобладают грамотрицательные палочковидные бактерии, среди которых доминируют псевдомонады

Биофильтры - сооружения, заполненные крупнозернистым наполнителем, на поверхности которого развиваются микроорганизмы. Период созревания фильтра - 30-50 дней. Недостатком этих сооружений является постепенное заиливание в результате разрастания пленки микроорганизмов. Микрофлора биофильтров представлена грамотрицательными бактериями и грибами.

В аэротенках и биофильтрах очищают как промышленные, так и бытовые сточные воды. Однако при токсичности промышленных сточных вод может быть необходимым подбор специальных видов микроорганизмов , способных утилизировать поллютанты. Если природные органические соединения сравнительно легко разрушаются микроорганизмами, то синтетические соединения, ранее в природе не существовавшие и чуждые ей (ксенобиотики), разрушаются медленно и устойчивы к действию микроорганизмов.

Аэробное разложение твердых отходов широко применяется в сельском хозяйстве при компостировании навоза - процессе биологической деградации, в котором органический субстрат подвергается биодеградации популяций микрорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. Навоз может смешиваться с наполнителями (солома, торф, листья, опилки и др.). Навоз помещают в бурты высотой 1.5 м и шириной 2.5м . В процессе компостирования происходит повышение температуры до 55 ⁰. Через 2-4 месяца компост дозревает, после чего используется как органическое удобрение.

1.2 Анаэробная переработка отходов

Органические отходы могут подвергаться утилизации в процессе анаэробного разложения (метановое брожение). Этот процесс широко распространен в природе (разложение органических веществ в болотах, водоемах, почве, рубце животных и др.). Метановое брожение проводится в специальных аппаратах - метантенках. Разложению микроорганизмами подвергается целлюлоза и содержащие азот органические вещества. Анаэробное разложение органического вещества в биогаз проходит через несколько стадий:

1) гидролиз белков, липидов, полисахаридов в аминокислоты, углеводы, жирные кислоты;

2)ферментация мономеров до низших кислот и спиртов с образованием углекислоты и воды;

3) ацетогенная стадия, на которой образуются ацетат, водород, углекислота;

4) метаногенная стадия - образование метана из органических соединений.

На этих стадиях происходит последовательная смена микрофлоры, обеспечивающей разложение органического вещества: гидролитические бактерии сменяются водородпродуцирующими, а затем метанобразующими.

Основным источником получения биогаза является навоз крупного рогатого скота. Выход биогаза на 1 т сухого вещества навоза составляет от 300 м³ (молочные коровы) до 600 м³ (свиньи). Биогаз состоит на 65-70% из метана и на 30-35% -углекислого газа. Процесс образования биогаза происходит при 10-65⁰ С, но при 45-65 ⁰С с выделение метана идет в 2-3 раза интенсивнее, чем при 10-35⁰ С. Отработанный остаток является отличным удобрением, по своей ценности намного превосходящим навоз.

Производство биогаза позволяет решить три задачи: получить дешевый источник энергии (биогаз), ценное обеззараженное удобрение (органические остатки) и защитить окружающую среду от загрязнения.

В странах Азии успешно используют небольшие метантенки объемом до 10 м³ для утилизации отходов домашнего хозяйства. Количество таких биореакторов превысило 10 млн. В Европе успешно работает целый ряд крупных установок по очистке городских сточных вод и сельскохозяйственных отходов. Есть положительный опыт использования таких установок и в нашей республике.

Сопоставление аэробной и анаэробной системы очистки стоков свидетельствует о том, что при одинаковом экологическим результате экономические преимущества имеет анаэробная система очистки.

1.3 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

Под биодеградацией понимается процесс разрушения отходов, попавших в окружающую среду, с помощью микроорганизмов Биодеградация природных соединений происходит сравнительно легко, поскольку разложение органических соединений растений и животных является частью пищевых цепей, созданных в процессе эволюции. Биодеградация ксенобиотиков (синтетических веществ, чуждых природе) в почве и воде происходит медленно. Этот процесс зависит от ряда факторов: химической природы ксенобиотика; физико-химических условий среды, действующих как на ксенобиотик, так и на микроорганизмы; способности микроорганизмов использовать ксенобиотик как субстрат. В почве на этот процесс значительное влияние оказывают температура, кислотность и кислородный режим.

Выявлено, что имеющиеся в почве микробные ассоциации обладают способностью к разрушению ряда ксенобиотиков, причем способность к биодеградации у ассоциации микроорганизмов может быть выше, чем у чистых культур одного вида микроорганизмов.

Основной группой почвенных микроорганизмов, разрушающих ксенобиотики, являются бактерии рода Pseudomonas, разные штаммы которых способны расщеплять более 100 органических соединений. В ряде случаев один штамм может использовать в качестве источника углерода несколько родственных соединений. В биодеградации ксенобиотика обычно участвуют несколько ферментов. Кодирующие их гены могут быть расположены в хромосоме, но чаще входят в состав крупных плазмид, а иногда обнаруживаются как в хромосомной, так и в плазмидной ДНК. Плазмиды, детерминирующие процессы деградации ксенобиотиков, получили название Д-плазмид (табл.2)

Таблица 2. Плазмиды Pseudomonas, их размер и соединения, за которых ответственны кодируемые ими ферменты разрушение

Большинство из них найдено у бактерий рода Pseudomonas. Они способны контролировать деградацию таких соединений, как ксилол, толуол, нафталин, камфора, 2.4-Д и др. Локализация генов биодеградации в плазмидах дает возможность конструирования новых штаммов микроорганизмов, способных к деградации нескольких ксенобиотиков.

Коньюгационный перенос плазмид биодеградации был выполнен в 1970-х годах А.Чакрабарти с сотрудниками. В результате был создан первый бактериальный штамм, способный расщеплять большинство углеводородов нефти («супербацилла»). Для получения нового штамма использовали плазмиды, содержащие гены, способные к деградации отдельных углеводородов: плазмида САМ детерминировала деградацию камфоры, ОСТ- октана, NАН - нафталина,. ХУL -ксинола. Сначала путем коньюгаций перенесли плазмиду САМ в штамм, несущий плазмиду ОСТ. Эти две плазмиды не могут существовать в одной клетке в виде отдельных плазмид (несовместимы). Однако в результате рекомбинации образуется одна плазмида, объединяющая их функции. Затем аналогично плазмиду NАН перенесли в штамм, несущий плазмиду ХУL (совместимые плазмиды). На следующем этапе гибридную плазмиду перенесли в штамм, несущий плазмиды NАН и ХУL. Полученный штамм приoбрел способность расти на неочищенной нефти лучше исходных штаммов, взятых по отдельности или вместе (Рис 2)

Рис 2.. Создание бактериального штамма, способного разрушать камфару, октан, ксилол и нафталин. Штамм А, несущий - плазмиду САМ (она детерминирует разрушение камфары), скрещивают со штаммом В, несущим плазмиду ОСТ (разрушение октана). При этом образуется штамм Е, который содержит гибридную плазмиду, образовавшуюся в результате гомологичной рекомбинации между исходными плазмидами и обладающую функциями каждой из них. Штамм С, содержащий плазмиду XYL (разрушение ксилола), скрещивают со штаммом D, содержащим плазмиду NAH (разрушение нафталина), и получают штамм F, который несет обе эти плазмиды. Наконец, скрещивают штаммы Е и F, в результате чего образуется штамм G, содержащий плазмиды САМ/ОСТ, XYL и NAH. (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002)

Вторым путем повышения способности микроорганизмов к биодеградации являются технологии рекомбинантных ДНК, традиционного мутагенеза и методов отбора. Так, например, путем рекомбинации генов двух штаммов Pseudomonas был получен новый штамм, способный расти на 5 ароматических соединениях (исходные штаммы росли соответственно на 2 и 3 соединениях).

Поиск и создание микроорганизмов, способных к деградации ксенобиотиков различного типа, проводится в ряде стран. При этом возможны два основных направления практического использования биодеградации:

1) создание, в т.ч. генноинженерным путем, новых штаммов микроорганизмов, способных интенсивно разлагать один или несколько ксенобиотиков;

2) активизация способности природных микробоценозов к биодеградации путем внесения индукторов (соединения азота и фосфора) и аэрации. Первый путь не всегда дает результат, поскольку способность микроорганизмов к биодеградации не всегда сохраняется в почвенной или водной среде в природных экосистемах. Второй путь успешно применяется при очистке водных и почвенных экосистем от нефтепродуктов.

Исследования по отбору и созданию микроорганизмов - деструкторов ксенобиотиков активно проводятся в Беларуси. В Институте микробиологии НАН изучена экологическая тактика микроорганизмов-деструкторов ксенобиотиков и разработана концепция регулирования деятельности микрофлоры, обеспечивающая интенсификацию процессов разрушения загрязняющих почву токсических веществ. Получены уникальные штаммы микроорганизмов, способные деградировать широкий ряд ксенобиотиков, в т.ч. хлорароматические соединения в смеси и при их высоких концентрациях. На основе отобранных культур-деструкторов разработана технология препарата «Родобел-Т», используемого для очистки сточных почв от загрязнения нефтью и дизельным топливом, метод локальной микробной очистки сточных вод производства пластификаторов.

Эффективность применения микробного препарата «Родобел-Т» на основе микроорганизмов рода Rhodococcus, иммобилизированных на торфяном носителе для разрушения нефти и ее производных в почве, проверена в производственном опыте сотрудниками Института микробиологии НАН и Института проблем использования природных ресурсов и экологии НАН Беларусь. Использование препарата «Родобел-т», обеспечивает разрушение нефти и дизтоплива на 90% уже через 2 месяца после внесения в почву, в то время как в естественных условиях разложение нефти в почве происходит за 5 и более лет (А.С.Самсонова, А.Э.Томсон, З.М.Алещенкова и др. 2000).

В Институте генетики и цитологии НАН Беларуси выделена аэробная грамотрицательная бактерия, изолированная из ризосферы кукурузы, способная к минерализации гербицида симазина и некоторых других хлорированных симмтриазинов.

2. ЭНЕРГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Энергетический кризис побуждает искать новые источники энергии. Природные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.) исчерпаемы, а их использование загрязняет окружающую среду. Атомная энергетика при высокой эффективности создает проблему захоронения радиоактивных отходов. В качестве дополнительного неиссякаемого природного источника энергии может служить биомасса, переработанная биотехнологическим путем в ценное топливо (этанол, метан, Н₂ ). Энергия солнца аккумулируется в биомассе с эффективностью -2 %. Менее, чем за неделю земля получает от солнца такое количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах. В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии (Рис. 3). Задача биотехнологов заключается в повышении эффективности получения энергии из биомассы как на этапе ее накопления в процессе фотосинтеза, так и последующих процессов получения из биомассы топлива в результате работы микроорганизмов.

В институте генетики и цитологии НАН Беларуси ведутся работы по созданию трансгенных растений для биоремедиации (биолоической очистки) загрязненных территорий. В настоящее время уже получены трансгенные растения Nicotiana tabacum, N. benthamiana,и арабитопсиса Arabidopsis thaliana, выживающие на территориях, одновременно загрязненных широким спектром поллютантов органического и неорганического происхождения. Созданные трансгенные растения ускоряют процесс биодеградации нефти и ее производных в почве , не накапливая в своих тканях токсических веществ, в частности углеводородов нефти и токсичных металлов.

(Г.Бич,В.Бест, К.Брейерги и др.,1988)

Основными поставщиками биомассы, используемой на топливо, служат сельское и лесное хозяйства

Наиболее распространенными источниками биомассы для выработки топлива являются наземные растения (эвкалипты, тополя, ели, сосны и др.; кукуруза сахарный тростник, сахарная свекла), водные растения (одноклеточные водоросли - хлорелла, сценедесмус, многоклеточные - бурые водоросли, растения - тростник, камыш и др.), отходы (навоз, бытовой мусор, пищевые отходы, отходы древесины, солома, меласса и др.)

При производстве растительной биомассы важно, чтобы количество энергии затраченное на выращивание растений, полностью компенсировалось накопленной в биомассе энергией (энергетический коэффициент >1).

Высоким выходом (до 10-30т биомассы с га в год ) с единицы площади и наибольшим годовым приростом биомассы обладают леса, причем около 60% вырубаемой древесины используется как топливо.

В Аргентине и Бразилии на специальных энергофермах выращивают эвкалипт и производят древесный уголь для выплавки стали. Способность эвкалипта расти как в сухих, так и в заболоченных местах , возможность вегетативного размножения лучших сортов делают его ценным источником для производства топлива.

В Испании выведен специальный сорт гигантского колючего сорняка - чертополоха, стебли которого достигают 3 метров. Сорняк способен расти на бросовых засушливых землях, где не могут расти другие растения. Сорняк будет использован в качестве топлива для ТЭЦ.

Водные растения (водяной гиацинт и др.) могут успешно расти в сточных водах, улучшая состояние окружающей среды и накапливая биомассу как источник энергии. Жидкие отходы могут быть хорошей средой для роста фотосинтезирующих водорослей и бактерий (выход биомассы может составлять 50-80 т с га в год). Полученые водоросли можно скармливать животным , получать из них метан или сжигать для получения электроэнергии. Водорослевые пруды нашли применение в ряде стран. Зеленые водросли Botryococcus braunii содержат до 75 % углеводородов от сухой массы, аналогичных керосину или дизельному топливу.

Большой интерес представляет использование в качестве источников энергии масличных культур: подсолнечник, рапс, соя, масличные пальмы и др. В Германии около 1000 автозаправочных станций продают дизтопливо, произведенное из рапсового масла. В США начата продажа в качестве дизельного топлива чистого соевого масла без глицеринового компонента. Биологическое дизельное топливо позволяет снизить выбросы парниковых газов от автомобилей на 78 процентов.

Высококачественное топливо из растений может быть получено в результате производства этилового спирта путем сбраживания при участии дрожжей, а также путем получения метана (биогаза) методом анаэробной переработки сырья (процесс описан ранее). Сырьем для производства спирта служат меласса, сок сахарного тростника, крахмал, целлюлоза и др. В Бразилии наибольший вклад в энергобаланс страны дает производство топливного спирта на основе сока сахарного тростника и мелассы. Вторая крупная национальная программа - производство «бензирта» (gasohol) в США на основе сбраживания кукурузного крахмала. Технический спирт применяют главным образом как горючее для двигателей внутреннего сгорания в смесях или в чистом виде. При этом энергозатраты на переработку сырья близки к количеству энергии, получаемой в форме спирта.

Принципиально новый путь получения энергии дает открытие механизма фотолиза воды с образованием водорода. Процесс этот может происходить на мембранах, содержащих хлорофилл в присутствии ферментов, катализирующих разложение воды на водород и кислород. Источником энергии фотолиза воды является солнечный свет. При этом не образуется отходов. Однако технические проблемы создания таких фотореакторов , использующих энергию солнца, пока не решены.

В целом следует отметить, что биологический путь создания новых источников энергии весьма перспективен, поскольку использует природные источники энергии ( солнце), естественные процессы накопления биомассы растениями и микроорганизмами, позволяет решить проблему утилизации отходов промышленности и сельского хозяйства. Позволяя в перспективе сократить использование невозобновляемых источников энергии (нефть, уголь и др.), при сжигании которых загрязняется окружающая среда, применение биотоплива экологически и экономически оправдано.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Определите задачи экологической биотехнологии

Опишите особенности аэробной переработки отходов

В чем специфика анаэробной переработки отходов

Какой состав биогаза?

Какие вещества относятся к ксенобиотикам?

Дайте определение биодеградации. Какие организмы участвуют в этом процессе?

Приведите примеры эффективного использования микроорганизмов-деструкторов ксенобиотиков.

Размещено на Allbest.ru