- •М.В. Ефимова
- •ВВЕДЕНИЕ В ПРИКЛАДНУЮ БИОТЕХНОЛОГИЮ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Таблица 1
- •Таблица 2
- •ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
- •РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
- •РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
- •Таблица 3
- •Таблица 4
- •Окончание таблицы 4
- •Таблица 5
- •7.1.3.1. Культивирование микроводорослей в открытых системах
- •Таблица 6
- •Рис. 12. Схема сооружения для очистки сточных вод:
лианты, антибиотики, дезинфицирующие средства, азотистые и фосфорные соединения. Энергетика и транспорт загрязняют среду нефтепродуктами.
В табл. 6 приведена характеристика сложившейся в мире экологической ситуации.
|
Таблица 6 |
|
|
|
Последствия |
Сельское хозяйство |
Эрозия почвы, ее уплотнение, засорение химикатами, |
|
сорняками, уменьшение гумуса |
Водоемы |
Засорение химикатами, уменьшение рыбных запасов, |
|
изменение водной фауны и флоры |
Атмосфера, климат |
Засорение атмосферы газами, диоксидом серы, окси- |
|
дом азота, диоксидом углерода, оксидом углерода; |
|
запыление; кислотные дожди (рН 4,5–5,7); разруше- |
|
ние слоя озона от действия фреона, оксида азота, |
|
повышенная радиация УФ-лучей |
Биосфера |
Исчезновение к 2000 г. 15% видов животных и расте- |
|
ний главным образом в результате вырубки тропиче- |
|
ских лесов и попадания химикатов в водоемы |
Человек |
Болезни, генетические сдвиги, трудности в хозяйст- |
|
венной деятельности |
Проблему экологии нельзя решить в масштабах одной страны или группы стран. Вредные загрязнители среды, выработанные в индустриальных районах, из-за естественной циркуляции водных и воздушных масс распространяются по всей поверхности Земли, достигают стратосферы и глубин океана. Глобальность этой проблемы еще в 1899 г. отмечал К.А. Тимирязев.
Биотехнология может оказать существенное влияние на решение экологических проблем, позволит осуществить систему профилактических мероприятий и ликвидировать последствия загрязнения окружающей среды (рис. 11).
Важнейшую роль в экологической проблеме играет биология. Сама экология в традиционном понимании – это биологическая дисциплина, изучающая взаимоотношение организмов между собой и с окружающей средой. Биологизация производства – один из главных путей выхода из надвигающегося экологического кризиса. При этом большое значение имеет биотехнология.
Взаимоотношения современной биотехнологии и экологии имеют различные аспекты. Достижения экологии как науки входят в научный базис современной биотехнологии. Биотехнология помогает решать ряд экологических проблем:
83
–биотехнологические методы используют для защиты среды от промышленных и бытовых отходов и отбросов и деградации токсичных соединений, уже попавших в среду;
–при внедрении биотехнологических методов происходит более полная утилизация сырья, интенсификация выращивания и использова-
ния возобновляемых |
природных ресурсов, |
|
создание малоотходных |
и безотходных промышленных процессов. |
|
|
|
Б И О Т Е Х Н О Л О Г И Я |
ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА |
||
Обработка отходов |
Повышение экологич- |
|
Возможное негативное |
и создание безотходных |
ности традиционных |
|
воздействие биотехно- |
производств |
технологий и продуктов |
логии на окружающую |
|
|
и создание новых эко- |
|
среду и человека |
|
логичных производств |
|
|
Биотехнологическая |
Получение индустри- |
|
Отрицательное воздей- |
переработка отходов |
альными методами |
|
ствие отходов биотех- |
в кормовые продукты, |
компонентов пищи и |
|
нологических |
энергию, удобрения, |
кормов |
|
производств при недос- |
технический белок, |
|
|
таточном контроле |
липиды и т. д. |
|
|
|
|
Биометаллургия, био- |
|
|
|
энергетика |
|
|
Использование генной |
Создание высокопро- |
|
Выход из-под контроля |
инженерии для созда- |
дуктивных, устойчи- |
|
биотехнологических |
ния организмов, спо- |
вых к заболеваниям |
|
объектов, полученных |
собных к обезврежива- |
сортов растений, пород |
|
методами новейшей |
нию отходов |
животных |
|
биотехнологии |
Очистка Мирового |
Получение биорацио- |
|
Создание биологиче- |
океана, морей, рек, озер |
нальных пестицидов |
|
ского оружия |
и почв от нефтяных |
бакудобрений, ветери- |
|
|
и других загрязняющих |
нарных препаратов |
|
|
веществ |
|
|
|
Снижение потерь сельскохозяйственной продукции при обработке и хранении
Рис. 11. Взаимодействие биотехнологии и экологии
84
При этом наряду с производством новых продуктов биотехнологическими методами получают также и продукты, традиционные способы получения которых менее экологичны.
Биотехнология и экология могут взаимодействовать как через продукцию, так и через технологию.
Биотехнология должна создать рациональные и безвредные для человека и среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в более ценные товарные формы. Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий.
Для повышения плодородия почвы необходимо применять органические удобрения, компосты и обезвреженные путем метанового брожения жидкие отходы животноводческих ферм.
Вцелом внедрение биотехнологии способствует повышению экологичности народного хозяйства, возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.
Но нельзя забывать и о таком аспекте проблемы взаимоотношений между биотехнологией и экологией, как возможность негативного воздействия на биосферу биотехнологических процессов и даже исследований в области биотехнологии. Надо также учитывать возможность сознательного использования достижений биотехнологии в антигуманных целях для создания мощного биологического и токсинного оружия.
Внастоящее время разрабатываются и применяются следующие биотехнологические методы защиты окружающей среды:
–создание безотходных технологических процессов;
–создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и животных;
–создание растений, устойчивых к болезням и вредителям;
–биологические методы борьбы с болезнями и вредителями рас-
тений;
–бактериальные удобрения и стимуляторы роста растений;
–создание методами генетической инженерии культурных растений, способных фиксировать атмосферный азот без участия микроорганизмов;
–аэробная биологическая очистка стоков;
–анаэробная биологическая очистка стоков;
–селективная утилизация индивидуальных химических соединений стоков;
–управляемое компостирование твердых отходов;
–детоксикация почвы от пестицидов и других химических загрязнений;
–биосорбция металлов;
–диагностика степени загрязнения среды.
85
9.1. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Каждый городской житель ежедневно «продуцирует» 150–200 дм3 сточных вод. При производстве 1 т бумаги объем сточных вод примерно такой же, как объем бытовых сточных вод от 1000 человек, и нередко сток одного химического предприятия соответствует по объему стокам города с миллионным населением.
Для городов с высоким уровнем экологической опасности характерно наличие десятков различных высоко токсичных элементов в воде, атмосфере и почве. Например, в Санкт-Петербургской области наибольший ущерб когда-то чистой Неве наносят местные отрасли промышленности. Индустриальная база региона состоит в основном из предприятий, потребляющих огромное количество воды, энергии и ресурсов. Сотни промышленных предприятий сливают неочищенные отходы в открытую водную систему или в канализацию. Другие проблемы загрязнения связаны с огромным количеством воды, потребляемой частными домовладельцами.
Наблюдения Росгидромета свидетельствуют о тенденции повышения загрязненности водных ресурсов. Такая тенденция связана, прежде всего, с малоэффективной очисткой сточных вод. Практически без очистки сбрасываются в поверхностные водотоки и водоемы шахтные воды.
По данным Московского НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана, наиболее часто выше регламентируемых величин в питьевой воде обнаруживается железо (до 80%), цветность (47%), мутность (40%), суммарное органическое загрязнение по величине перманганатной окисляемости (49%), фенолы (32%), марганец (29%), нефтепродукты (8–11%), формальдегид, капролактам, циклогексанол.
Постоянное применение минеральных удобрений на сельхозугодьях является причиной появления соединений азота и фосфора в водных объектах. Серьезна проблема загрязнения поверхностных вод пестицидами, применяемыми главным образом в сельском хозяйстве. Вынос хлорорганических пестицидов на 80–95% обусловлен весенним стоком. Часто ПДК пестицидов были превышены более чем на 20% в бассейнах рек Печора, Обь, Пясина и Урал.
До 19 в. гидрологического цикла было достаточно, чтобы поддерживать запас воды на Земле свежим и безопасным для жизни. Но с приходом индустриальной революции все изменилось. Хотя современная промышленность и технология значительно улучшили качество нашей жизни, мы платим за это серьезную цену. В наших водоемах накапливаются промышленные отходы. Ядовитые отходы приводят к отравлению поверхностных и подземных вод. Природный гидрологический
86
цикл нарушен, и во многих местах он уже не в состоянии очистить воду от загрязняющих частиц.
Естественной самоочищающей способности водоемов, обусловленной деятельностью микроорганизмов, теперь также не хватает, поэтому сточные воды приходится разлагать с помощью микроорганизмов в гигантских очистных сооружениях (рис. 12) с тем, чтобы стоки можно было вновь спускать в реки и озера без ущерба для природной среды.
При очистке сточных вод прежде всего из них удаляются макрозагрязнения: бумага, куски дерева, обрывки ткани. Механическую очистку осуществляют на решетках, в отстойниках, центрифугах, флотаторах и на фильтрах. Тяжелые частицы песка осаждаются в пескоуловителе. Лишь после этого более легкие взвешенные частицы концентрируются на дне отстойника в илоуловителе. Далее сточные воды поступают в аэротенк (аэрируемый резервуар), где поддерживаются идеальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. В аэротенке бактерии, дрожжи и грибы образуют с веществами сточных вод большие хлопья («активный ил»), которые не распадаются благодаря слизи, выделяемой бактериями. Основная проблема этого биопроцесса связана со снабжением микроорганизмов кислородом. На расщепление 1 г сахара микроорганизмы расходуют более 1 г кислорода, а растворимость кислорода в воде в воде при нормальной температуре составляет всего лишь 9 мг/дм3. Поэтому очень скоро после начала микробиологического процесса весь содержащийся кислород будет полностью израсходован микроорганизмами. Поэтому сточные воды в аэротенке должны постоянно перемешиваться и обогащаться кислородом. Для обеспечения аэрации сточных вод аэротенк снабжен вращающимися щетками, лопастями, а также трубой, через которую в воду нагнетается воздух. Воздух постоянно «завихряет» хлопья активного ила, благодаря чему они не достигают слишком больших размеров, остаются взвешенными и хорошо обеспечиваются кислородом. Микроорганизмы хлопьев поглощают вещества сточных вод, разлагают их в процессе дыхания и при этом размножаются.
Часть микробных хлопьев затем осаждается во вторичных отстойниках в виде ила. Меньшую часть возвращают в аэротенк для того, чтобы иметь достаточное количество микроорганизмов для окисления вновь поступающих сточных вод. Весь осадок, собранный из первичного и вторичного отстойников, разлагается в септиках или метантенках (сооружения для сбраживания с помощью микроорганизмов осадка сточных вод) метанбактериями до образования биогаза (метана). Этот газ может быть очень рационально использован путем сжигания для получения тепла. Остаточный «переброженный» ил высушивают и нередко применяют в качестве удобрения.
Резервуары очистных сооружений занимают большую площадь – это условие трудно выполнить в промышленных районах. Поэтому для
87