Природоохранная биотехнология

Почва обладает высокой буферной способностью, т.е. долгое время может не изменять своих свойств под воздействием загрязнителей. Тем не менее, в городе это один из самых загрязненных компонентов среды. Почвы городских экосистем характеризуются неравномерным профилем, сильным уплотнением, изменением рН в сторону подщелачивания, загрязнением различными токсическими веществами.

Особенности качественного состава микрофлоры в почвах городов до сих пор изучались лишь с точки зрения наличия в них санитарно-показательных микробов. Почвенные микроорганизмы составляют значительную часть любой биогеосистемы - экологической системы, включающей почву, косное (неживое) и биокосное (живое или произведенное живыми организмами) вещества - и активно участвуют в ее жизнедеятельности.

Микроорганизмы почв обладают высокой чувствительностью к антропогенному воздействию, и в городских условиях их состав сильно меняется. Поэтому они являются хорошими индикаторами загрязненности окружающей среды. Так, по виду микрофлоры, преимущественно обитающей (или, наоборот, отсутствующей) на данной территории, можно определить не только степень загрязнения, но и его вид (какое именно загрязняющее вещество превалирует на данном участке). Например, индикаторами сильного антропогенного загрязнения является отсутствие коккоидных форм микроводорослей из отдела Chlorophyta. Наиболее устойчивыми к загрязнению оказались нитчатые формы синезеленых водорослей (цианобактерий Cyanophyta) и зеленых водорослей .

Вместе с тем, микроорганизмы сами являются очистителями окружающей среды. Дело в том, что питательными веществами для многих бактерий являются абсолютно несъедобные для высших организмов вещества. В большинстве случаев данные вещества (такие, как нефть, метан и т.п.) являются для таких бактерий прямыми источниками энергии, без которой они не выживут. В некоторых других случаях такие вещества не являются для бактерий жизненно важными, но бактерии могут их поглощать в больших количествах без вреда для себя.

Создавая оптимальные условия для роста микроорганизмов в надлежащим образом спроектированных инженерных системах, скорости процессов обработки отходов могут быть значительно увеличены, облегчая решение многих проблем природоохранной биотехнологии. Кроме того, эта дисциплина постепенно трансформируется от ее обычной функции к новой фазе, характеризующейся максимальной рекуперацией ресурсов, находящихся в отходах. Каждая территория обладает определенной техноемкостью - то есть тем количеством антропогенной нагрузки, которую она в состоянии вынести без необратимого нарушения своих функций. Внесение на загрязненные участки соответствующих микроорганизмов значительно повышает этот показатель.

Решение экологических проблем зиждется, в основном, на фундаменте биокаталитических методов из-за их относительной дешевизны и высокой производительности, а вся подчиненная область называется природоохранной биотехнологией, являющейся в настоящее время крупнейшей областью промышленного применения биокатализа, принимая во внимание объемы перерабатываемых веществ. Философия в рамках современной природоохранной биотехнологии должна быть целостной по отношению ко всем компартментам окружающей среды, а это требует интеграции многих научных дисциплин, и, в первую очередь, детальных знаний о механизмах протекающих биокаталитических процессов, а также их эффективного инженерного оформления.

К настоящему времени существует ряд биокаталитических и инженерных подходов, для защиты трех основных компартментов окружающей среды - почвы, воды и атмосферы. Основное загрязнение грунтов и водных поверхностей в мире - это нефтяное загрязнение. Ряд микроорганизмов способны эффективно утилизировать нефть и нефтепродукты, очищая любые поверхности от опасных нефтяных пятен.

Существует еще одна уникальная и достаточно широко распространенная группа бактерий - метанотрофы, использующие метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Интерес к термофильным метанотрофам обусловлен перспективами их практического применения как в науке, так и в сфере экологии. В биотопах в основном встречаются метанотрофные бактерии родов Methylocystis и Methylobacter.

Еще до приспособления бактерий в качестве биофильтров и биоочистителей, до появления искусственных загрязнителей, микроорганизмы уже эффективно выполняли очистительную роль в природе. Недавно российские ученые исследовали образцы мха из разных болот тундры северной части России и обнаружили метанотрофные бактерии, которые прекрасно живут в кислой среде и при низких температурах прямо в клетках сфагнума. Полученные данные позволили ученым утверждать, что на всей территории севера России от Чукотки и Камчатки до Полярного Урала работает метаноокисляющий бактериальный фильтр. Этот фильтр тесно связан с растениями сфагнума и представляет собой физически организованную структуру, способную контролировать поток метана из торфяных болот в атмосферу.

Разумеется, помимо метанотрофных и нефтеперерабатывающих бактерий существуют и другие виды, перерабатывающие ряд других загрязняющих веществ. Вот некоторые процессы переработки органических веществ, которые катализируются микроорганизмами: прямое окисление пропилена в 1,2-эпоксипропан молекулярным кислородом, прямое окисление метана в метанол, микробиальное эпоксидирование олефинов, окисление газообразных углеводородов в спирты и метилкетоны кислородом воздуха (с участием газо-ассимилирующих микроорганизмов), эпоксидирование пропилена иммобилизованными клетками газо-ассимилирующих микроорганизмов. При этом, если производственные процессы переработки химических загрязнителей обычно требуют высоких температур, биокаталитические процессы проходят в микроорганизмах при температуре, как правило, в пределах 20-40 градусов Цельсия. И, если при химических процессах образуется масса побочных продуктов, токсичных сами по себе (например, при окислении пропилена в 1,2-эпоксипропан молекулярным кислородом образуются альдегиды, угарный газ, ароматические органические вещества), то при «работе» микроорганизмов таких веществ не образуется - они разлагаются до воды и углекислого газа, которые выделяются аэробными бактериями.

В настоящее время выведены микроорганизмы, которые могут утилизировать, то есть перерабатывать с получением для себя энергии, огромное количество искусственных веществ - таких как, например, различные виды пластмасс, резины и т.п.

Оценка состояния обитающих в почве организмов, их биоразнообразия имеет важное значение при решении задач природоохранной практики: выделении зон экологического неблагополучия, расчете ущерба, нанесенного деятельностью человека, определении устойчивости экосистемы и воздействии тех или иных антропогенных факторов. Микроорганизмы и их метаболиты позволяют проводить раннюю диагностику любых изменений окружающей среды, что важно при прогнозировании изменений окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

В частности, среди основных природоохранных и компенсационных мероприятий в последнее время все чаще называют выделение местных (характерных для данной экологической зоны) штаммов микроорганизмов, наиболее активно утилизирующих углеводородное сырье, как основы для проведения этих мероприятий.

Проведение обследований по выявлению деградированных и загрязненных земель в целях их консервации и реабилитации, а также подбор, разработка и проведение оптимальных комплексов природоохранных и компенсационных мероприятий по снижению негативного антропогенного воздействия на окружающую среду, адаптированных к локальным природным условиям и видам воздействия. Заключительным шагом является оценка состояния экосистем и остаточных последствий антропогенного воздействия на окружающую среду после проведения природоохранных и рекультивационных мероприятий.

В современном мире микроорганизмы активно используются для биоремедиации. Они «работают» сами по себе или в составе различных биопрепаратов. Разрабатываются новые и совершенствуются уже существующие технологии очистки на основе микроорганизмов. В качестве примера можно привести одну из недавних разработок - биокаталитическую технологию удаления сероводорода и рекуперации элементарной серы из загрязненных газов, практически не требующую использования реагентов.

Бактерии играют роль экологов в самых разных сферах производства. С их помощью возможно проводить очистку не только трех небиологических (гидро-, лито-, атмосферы) и так называемую «живую» (биосфера) оболочек Земли, но и ликвидировать последствия аварий в исключительно антропогенных зонах - например, на предприятиях. Многие микроорганизмы успещно справляются с коррозией, многие могут бороться со своими «собратьями» - бактериями патогенных видов, делая окружающую человека среду пригодной для работы.

1. Зенова Г.Н., Штина Э.А. Почвенные водоросли. М., МГУ, 1991, 96 с.

2. Кабиров Р.Р. Роль почвенных водорослей в поддержании устойчивости наземных экосистем. // Альгология, 1991.Т.1, № 1, с.60-68.

3. Рыжов И.Н., Ягодин Г.А. Школьный мониторинг городской среды. М., «Галактика», 2000 , 192 с.

4. Лысак А.В.; Сидоренко Н.Н.; Марфенина У.Е.; Звягинцев Д.Г.; Микробные комплексы городских почв. // Почвоведение. 2000, № 1,стр. 80-85.

5. Яковлев А.С. Биологическая диагностика и оценка. // Почвоведение .2000. № 1,стр.70-79.

6. И. Ю. Кирцидели, Т. М. Логутина, И. В. Бойкова, И. И. Новикова. Влияние интродуцированных нефтеразлагающих бактерий на комплексы почвенных микроорганизмов. // Новости систематики низших растений. 2001. Т. 34