Биотехнология и переработка отходов производства

2. Захоронение в море.

3.Сжигание.

6 Биодеградация твёрдых отходов

Перед транспортировкой твёрдых отходов на свалку они могут быть подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Эта предварительная обработка может сильно влиять на катаболические процессы в твёрдых отходах. На типичной свалке, где отходы размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям, например, попаданию воды, содержащей растворённый кислород или различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель периодических культивирований, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.

В начальной стадии катаболизма твёрдых отходов, сопровождаемого физическими и химическими процессами, преобладают аэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро разрушаются рядом беспозвоночных и микроорганизмами. Утилизация миксотрофных субстратов затем сменяется последующим катаболизмом макромолекул, таких как лигноцеллюлозы, лигнин, танины и меланины, которые способны только к медленной биодеградации, что приводит к тому, что кислород перестаёт быть лимитирующим субстратом.

6.1 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

Биодеградация органических соединений, загрязняющих окружающую среду, оправдана только в том случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация; если же биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не только нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

6.2 Биодеградация нефтяных загрязнений

Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных водах нефтяной промышленности, так и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких загрязнений могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.

Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание. В ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается ( в зависимости от качества нефти и от метеорологических условий) 25 - 40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также асфальтенов в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и асфальтены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости от крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти, - это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

6.3 Пестициды

Слив отходов производства пестицидов сегодня строго контролируется; технология очистки сточных вод или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках или при промывке и замене контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ, идущей, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться токсичность пестицидов или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстразы, ациламиназы и фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он должен обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть нечувствительным к небольшим количествам растворителей и тяжелых металлов, не ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных систем, а также хорошо храниться. В ряде случаев в качестве биологического агента детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остаточного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратиона в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раствора и концентрации фермента. При этом значительные количества пестицида были обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов -- это очистка сточных вод. Были описаны гидролазы для детоксикации других пестицидов. Многие из них обладают широкой субстратной специфичностью, что открывает большие возможности для создания других простых систем детоксикации пестицидов. В будущем подобные системы смогут применять при промывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэрозолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использования.

7 Ликвидация токсичных и опасных отходов

Ликвидация токсичных и опасных отходов на свалке, отдельно или вместе с твёрдыми отходами, требует тщательного выбора места свалки и материала для ограждения. Часто токсичные и опасные жидкие отходы и илы подвергаются стабилизации или отверждению перед их ликвидацией на свалке.

Ликвидация токсичных и опасных твёрдых отходов вместе с обычными требует учёта следующих факторов: типа отходов (твёрдые, ил, жидкие), совместимости видов микроорганизмов, нагрузки, испарения, скорости вымывания, характеристик твёрдых отходов, температуры и водного баланса в данном месте.

Механизм ослабления вредных воздействий может быть как микробиологическим, так и физико-химическим. Так, при ликвидации отходов, содержащих соли бария, было показано, что основную роль играют физико-химические механизмы, в основном адсорбция. Микроорганизмы косвенно участвуют в этом процессе, так как происходит осаждение бария в виде карбоната за счёт выделяемого микроорганизмами диоксида углерода, а присутствие жирных кислот существенно влияет на подвижность бария за счёт образования комплексов.

Радиоактивные отходы также могут быть подвергнуты микробной трансформации. Если такие изотопы, как ³Н, ⁵⁸Со, ⁸⁵Sr и ¹³⁴Cs, нуждаются только в косвенном проявлении микробной активности, то ликвидация соединений мышьяка требует прямого участия микроорганизмов в процессах восстановления и метилирования до ди- и триметиларсина.

8 Компостирование органических отходов

Компостирование - это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы.

Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В процессе компостирования удовлетворяется в основном потребность в кислороде, органические вещества переходят в более стабильную форму, выделяются диоксид углерода и вода и возрастает температура. В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать в кучи, что позволит сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс и есть процесс компостирования.

Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и мультидисперсность субстрата, необходимая для нормальной аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются аэрации. Их необходимо смешивать с твёрдым материалом, собирающим влагу, который обеспечит дополнительный углерод и нужную для аэрации структуру смеси.

В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий - более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20⁰С, для мезофиллов - от 20 до 40⁰С и термофилов - свыше 40⁰С. Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.

Заключение

Развитие всех современных направление биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком базируются на научных достижениях. При этом то, что лишь недавно было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в производство. Круг наук, результаты которых воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Таким образом, расширяются возможности и сферы самой биотехнологии. Вероятно, в будущем не будет ни одного направления человеческой деятельности, которое не было бы в тех или иных пределах связано с биотехнологией.

Расширение сферы внедрения биотехнологии изменяет соотношение в системе «человек - производство - природа», повышает производительность труда, принципиально изменят его качество. Биологизация производства в целом - одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к не- обратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение это- го противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.

Практическая часть

Задача №1. При инокулировании клетками E.coli 25 мл пептонной среды исходная численность популяции составила 3,8*10⁶ клеток; инкубация происходила при 37^оС. Стационарная фаза (3*10⁹ кл/мл) была достигнута через 284 мин; лаг-фазы не было. Каково среднее время генерации на пептонной среде?

Задача №2. Клетки E.сoli росли на среде, содержащей фруктозу в количестве 0,5 г/л (единственный источник углерода); сахар был полностью исчерпан за 528 минут. Концентрация клеток при инокулировании 5*10⁴ кл/мл. Соотношение между стационарной популяцией бактерий и концентрацией фруктозы линейно до концентрации сахара 0,8 г/л (при этой концентрации численность популяции бактерий составляет 3,2*10⁸ кл/мл). Определите среднее время генерации организма в этой среде. Какова продолжительность периода времени до начала снижения роста в условиях избытка фруктозы (при том же количестве инокулянта). Можно принять, что нарушение линейности между суммарным ростом и концентрацией фруктозы происходит очень резко.

Задача №3. Для бактериологического анализа через мембранные фильтры профильтровано 10 мл воды до хлорирования и 1 л хлорированной воды. Определить коли - индекс и эффективность процесса обеззараживания, если при выращивании на среде Эндо в первом случае на фильтре обнаружено 40 специфических колоний, а во втором - 3. Оценить пригодность такой воды для питьевых целей.

Задача №4. Среда, содержащая глюкозу в концентрации 0,25 г/л и неизвестное количество галактозы, была инокулирована E.coli (5,2*10⁵ кл/мл среды). Лаг-фаза отсутствовала. Среднее время генерации было равно 40 минут (при утилизации глюкозы); после исчерпания глюкозы клетки адаптированлись к галактозе, а затем продолжали расти со средним временем генерации 45 минут. Численность популяции достигла стационарного состояния (3,1*10⁶ кл/мл) через 6,5 ч после инокуляции. Определите продолжительность фазы адаптации между двумя циклами роста, а также концентрацию галактозы в среде. Известно, что соотношение между стационарной популяцией микробов и концентрацией сахаров линейно до концентрации 0,9 г/л (для каждого сахара), когда численность популяции достигает 3,7*10⁶ кл/мл.

Задача №5. Клетки Aerobacter aerogenes росли в начале в анаэробных условиях, затем их инокулировали в глюкозо-аммонийно-сульфатную среду, в которой они росли в условиях слабого аэрирования при 37^оС. Сразу после внесения инокулянта концентрация бактерий составила 2*10⁶ кл/мл. Далее проводили определение числа клеток во времени; были получены следующие данные:

Определите графически среднее время генерации организма в данных условиях; имеется ли лаг-период и, если имеется, какова его продолжительность?

Задача №6. Aerobakter sp. Выращивали в условиях непрерывного процесса на небольшой опытной установке, имеющей сосуд ёмкостью 20 л. Источником углерода в аммонийной солевой среде является глицерин (концентрация 5 г/л). Какова концентрация бактериальной суспензии при условии, что скорость поступления среды равна 5,0; 10,0; 20,0 л/ч, и какова при этом будет величина «выхода» клеток для системы?

В ряде экспериментов в условиях однообразной культуры было установлено, что при достижении предельного роста на казанной выше среде можно получить 1,325 г сухой бактерии в 1л среды; максимальная удельная скорость роста составляет 0,85 ч^-1моль/л.

Список используемой литературы

1. Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. - Л.: Химия, 1990. - Пер. изд.: Великобритания, 1987. - 384 с.: ил. ISBN 5 - 7245 - 0418 - 9

2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

3. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 272 с.

4. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с.

5. Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. - Ч.2. - 96с.

6. Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 280201 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончарова. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - 28 с.