Современные биотехнологии охраны окружающей среды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Современные биотехнологии  охраны окружающей среды»

 

 

План

 

Введение

1. Биотехнологии

2. Биотехнология переработки отходов

3. Биотехнология защиты атмосферы

4. Биотехнология охраны  земель

5. Биотехнология очистки  вод

6. Биотехнология переработки отходов растительности

Заключение

Список использованной литературы

 

 

Введение

 

В настоящее время человечество стоит перед проблемой экологического кризиса, то есть такого состояния среды обитания, при котором вследствие произошедших в ней изменений она оказывается непригодной для жизни людей. Экологический кризис - это напряженное состояние взаимоотношений между человеком и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы. Загрязнением окружающей среды называется поступление или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, приводящее к отрицательным последствиям. Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов, так и в результате хозяйственной деятельности человека. Примерами антропогенных загрязнений являются аварии и катастрофы на промышленных объектах, с выбросом радиоактивных, химических и биологических веществ. Не менее значительными и опасными являются загрязнения, связанные с обычной хозяйственной деятельностью, с работой предприятий, транспорта и так далее. Загрязнения делят на следующие группы: физические, химические, физико-химические, биологические. В России за последние несколько десятилетий в условиях ускоренной индустриализации и химизации производства подчас внедрялись экологически грязные технологии. При этом недостаточно внимания уделялось условиям, в которых будет жить человек, то есть каким воздухом он будет дышать, какую воду он будет пить, чем он будет питаться, на какой земле жить.  Большие перспективы в области охраны окружающей среды и рационального природопользования имеют достижения биотехнологии. 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 компонентам 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.

 

 

1. Биотехнологии

 

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнологии как направления науки и практики являются пограничной областью между биологией и техникой отраслей человеческой деятельности. Они представляют собой совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды.         Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание технологических процессов, основанных на продуктах жизнедеятельности биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являются фундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики, клеточной и генной инженерии, их сочетание.

История биотехнологии насчитывает  тысячелетия (производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т. д.). Однако ежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим  для которых является искусственное  создание условий для эволюционных, биогеохимических процессов на Земле  в виде характерных биореакторов, реализующихся с большими скоростями, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающей природной средой.

            Современные биотехнологии защиты окружающей среды, основаны на применении биопрепаратов, в состав которых входят разнообразные бактерии (микроорганизмы), способные разлагать различные органические вещества, в том числе и те, которые загрязняют окружающую среду. Микроорганизмы - это удивительные создания природы, обладающие уникальными свойствами. Они - самые многочисленные обитатели нашей планеты. Среда обитания микроорганизмов охватывает весьма широкие зоны биосферы, зачастую с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Их повсеместное распространение обусловлено небольшими размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, а также высокой устойчивостью к экстремальным факторам среды. Обладая высокой химической активностью, они способны к разложению органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения. Именно на этих уникальных свойствах микроорганизмов базируется применение биотехнологии, как эффективного способа защиты и восстановления окружающей среды. Например, достижения биотехнологии позволяют разработать и создать микробные препараты для регуляции круговорота веществ в экосистемах, что позволяет решать ряд прикладных задач: биологическая очистка природных сточных вод от органических и неорганических загрязняющих веществ; утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов путем сбраживания; микробное восстановление почв, в первую очередь, органическими веществами; использование микроорганизмов для нейтрализации тяжелых металлов в осадках сточных вод и загрязненных почвах; ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов; компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев, соломы и другие); создание биологического активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.    Поскольку многие биотехнологические процессы осуществляются в естественных условиях, это обеспечивает значительную экономию энергии и других затрат. В результате их применения образуется меньше побочных продуктов и отходов, что делает производство более эффективным и благоприятным для окружающей среды.

 

2. Биотехнология переработки отходов

 

Не отрицая важности для  окружающей природной среды большого опыта и разнообразия механических и физико-химических методов утилизации твердых бытовых отходов, реальную перспективную альтернативу представляют биотехнологические методы. Особую важность биотехнологии переработки отходов обусловливает недолговременная исчерпаемость традиционных энергоносителей: угля, нефти, газа, а также далеко не бесспорные экологические характеристики атомных электростанций.

Биотехнология переработки  твердых отходов не только позволяет  утилизировать биогаз и снизить энергетический дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую природную среду, в том числе уменьшить компоненты парникового эффекта.

Общим подходом к биотехнологии  утилизации отходов с энергетическими  целями является их анаэробная деструкция. Анаэробное сбраживание представляет собой бескислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляемый в мезофильных (1; = 30-33"С) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. Время контакта твердых отходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток в зависимости от сырья, влажности, перемешивания.

В большинстве случаев  при обработке твердая фаза имеет 3-5%-ную концентрацию веществ, до 75% из которых - органические компоненты, примерно 50% их превращаются при сбраживании в биогаз. Газ состоит на 65- 70% из метана, 25-29% - углекислоты, а остальное составляют водород, сероводород, аммиак. Средняя производительность по газу составляет 1 л на 1 кг биологически окисляемых веществ. Средняя теплота сгорания биогаза 22-24 МДж/м3. Возможные пути утилизации биогаза - использование в котельных для обогрева; получение электроэнергии посредством газогенераторных установок; сжижение и использование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.

В США, Японии, Германии насчитываются  сотни, а в Китае десятки тысяч  ферментеров для получения электроэнергии индивидуального пользования в  жилом секторе и на сельскохозяйственных фермах путем переработки собственных  и с незначительным добавлением  растительных отходов. В нашей стране получение биогаза не вышло из стадии опытно-промышленных исследований, но перспектива развития биотехнологии в этом направлении, особенно для сельских регионов, очевидна.

Несколько иной механизм биодеструкции, но также с получением биогаза наблюдается при переработке твердых бытовых отходов (ТБО) на полигонах. На первой стадии катаболизма ТБО преобладают аэробные микробные процессы в сочетании с физическими и химическими, по существу представляющие биокомпостирование. После исчерпания кислорода снижается температура ТБО, происходит развитие микроаэрофилов, факультативных анаэробов, участвующих в образовании метана. В теплый период года наблюдается интенсивное метанообразование (от 3,1 до 371 л/кг ТБО в год). Уменьшение размера частиц ТБО до 10-20 мм увеличивает газоинтенсивность метановыделения в 4 раза. Положительное воздействие оказывает на метаногенез внесение в ТБО твердой фазы сточных вод станции аэрации особенно после анаэробной биодеструкции в качестве посевного биоматериала (инокулянта). В основе биогаза от ТБО практикой идентифицировано до 46 компонентов, доминантным из которых является метан (50-60%).

Биогаз, образующийся на свалках, может быть извлечен при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. После удаления конденсата и пыли его теплота сгорания составляет 17-20'МДж/м:!, а при дальнейшей очистке может достичь 34-37 МДж/м3.

 

 

3. Биотехнология защиты атмосферы

 

Приведу в пример две биотехнологии  очистки воздуха. Первая установка (БФС) предназначена для биологической  очистки и дезодорирования промышленных газовоздушных выбросов, содержащих органические компоненты различной природы. Технология очистки газовоздушных выбросов основана на разложении микроорганизмами вредных органических веществ, содержащихся в газовоздушной смеси и являющихся источником энергии для биомассы. Органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду. Подбор консорциумов микроорганизмов осуществляется в зависимости от состава очищаемых смесей. Суммарная концентрация углеводородов в очищаемых газах должна находиться в пределах от 400 до 7000 мг/м³. При запыленности очищаемых вентиляционных выбросов более 5 мг/м³необходима установка предочистки от пыли. Области применения: химическое, лакокрасочное, резинотехническое, мебельное, табачное, деревообрабатывающее, пищевое и другие производства. Во втором случае эффективные микробные штаммы и разработанная биотехнология позволяют с низкими энергозатратами очищать на одной установке 10-20 тыс. кубометров в час выбросов с такими вредными примесями, как бензол, толуол, ацетон, формальдегид, уайт-спирт, фенол, бензин и др. Особенность технологии WWF в том, что - используется генетически модифицированное и адаптированное растение, которое размножается естественным путем. Одно растение за 50 суток способно образовывать более 400 вегетативных отростков. При очистке стоков, это растение окисляет и расщепляет промышленные и органические нечистоты, примеси вод на простые безобидные элементы с большой скоростью и усваивает их как питание. Очищая стоки от вредных примесей, растение в себе их не накапливает, а "съедает". Чем грязнее водоем, тем быстрее растет WWF и размножается. Если вода очистилась и питаться нечем, WWF начинает перерабатывать доступный придонный ил. А если и его нет, то прекращает вегетацию. Преимущества данного метода: полное устранение ядовитых запахов отстойников в летнее время при перекрытии растением больше половины площади отстойников, очистка забитых минерализованым осадком отстойников, каналов, очищенные от ингредиентов стоки могут быть использованы как оборотные для хозяйственных целей (полива и т.д.), погибают все болезнетворные бактерии контролируемые СЭС, возможность очистки водоемов и земли от высокотоксичных компонентов ракетного топлива, возможность получить на бросовых (чистых) территориях значительный урожай высокобелковой витаминной кормовой массы до 500 тонн с гектара за сезон. Патогенные микроорганизмы гнилостного ряда в воде уничтожаются полностью, подавляется стафилококк. Коли-индекс и общее микробное число приводятся к значениям, соответствующим гигиеническим требованиям санитарных правил и норм охраны поверхностных вод от загрязнения предъявляемых к составу и свойствам воды водных объектов культурно-бытового водопользования. Степень доочистки сточных вод после биопрудов с WWF соответствуют требованиям к качеству воды, выпускаемой в естественные водоемы или подаваемой в систему оборотного водоснабжения хозяйства, для различных технических целей, и санитарно-техническим показателям. При помощи WWF "мерзкая" выгребная яма превращается в чистейший источник буквально через несколько месяцев. Запустив растение в загаженные озера промышленных предприятий, животноводческих комплексов, свиноферм, птицефабрик и можно избавить окрестности от зловония, ядовитых испарений, очистить стоки.

 

4. Биотехнология охраны земель

 

Загрязненность почв неорганическими  ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных  минеральных добавок снижают  урожайность и качество сельскохозяйственных культур, а также приводят к эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву весьма затратны. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются  безграничные возобновляемые ресурсы  удобрений, содержащие необходимые  питательные элементы для сельхозкультур, и близкие, а иногда и превышающие по качеству органические удобрения (например, осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствуют бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и организационно) в целом разрешимо, то второе требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в  РФ и за рубежом проводится большая  работа по селекции и получению методами генетической инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву  вместе с осадками продуцировать  полимеры, переводящие тяжелые металлы  в неподвижные формы, и осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие  насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения  биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения  такого типа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой  ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а  также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название "микробное восстановление загрязненной нефтью почвы".

Не менее перспективным  и эффективным является бактериальный  препарат "Путидойл", промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Рзеийотоп аз. Параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с нефтью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойства почв.