Современные биотехнологии охраны окружающей среды

 

5. Биотехнология очистки вод

 

Биологическая очистка природных  и сточных вод в настоящее  время достаточно изученный и  широко применяемый метод, значение и роль которого со временем будут  только возрастать в связи с требованиями экологичности и экономичности современных видов производств.

Однако такой способ в  его настоящем применении позволяет  разрушить только относительно простые  органические и аммонийные соединения, так называемые "биологические  мягкие". Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к "биологическим жестким" органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений - текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводит к необратимым из-за кумуляции изменениям в генофонде.

Среди ксенобиотиков большое распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если не применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков. Это обстоятельство ставит проблему предварительной очистки природных вод от ксенобиотиков, которая может быть решена путем экологизации или прекращения выпуска соответствующих препаратов, или способами биотехнологии.

Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствующих  нормативам ВОЗ, современными приемами биотехнологии являются:

* селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;

* совершенствование иммобилизационных комплексов;

* ферментативный катализ;

* физико-химические воздействия;

* генно-инжиниринговые комбинации.

Селекция и конструирование  искусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделении  активных культур, штаммов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма) с последующим внесением их в качестве посевного материала в биореакторах. Иммобилизация - это процесс, при котором клетки (ферменты) прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от показателей среды обитания. При этом достигаются следующие положительные эффекты:

* сохранение практически постоянной биомассы в биореакторе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидкости;

* создание пространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулированием процесса;

* рост производительности, что уменьшает объем биореакторов;

* повышение устойчивости системы к неравномерности поступления сточных вод;

* регулирование процесса по составу носителей.

Ферментативный катализ  заключается в воспроизводстве  определенного вида ферментов или  их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведения процесса в биореакторах. При этом скорость возрастает на 2-3 порядка, что позволяет уменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относится интенсификация процесса биодеструкции загрязнения путем мутации штаммов за счет физических воздействий (ультразвук, ультрафиолетовые излучения, радиационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облучение, омагничивание) или химических воздействий (нитрозоамины, сильные окислители и пр.). Мутация штаммов повышает эффект очистки сточных вод на 50-70%. Однако требуется периодическая обработка биомассы, так как мутированные признаки со временем снижаются.

Более эффективным и перспективным  методом очистки вод с заданными  деструктивными свойствами является генно-инжиниринговый. Он заключается в использовании методов рекомбинантной ДНК: соединений определенных катаболических последовательностей специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штаммов позволяет получить эффективные культуры, которые после помещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.

 

5. Биотехнология переработки отходов растительности

 

Отходы растительности - это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитарно-гигиеническим соображениям клетчаткосодержащие остатки: листья; ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты; очистки картофеля; образующиеся в больших количествах в стеблях зерновых.

Локально, в небольших  объемах эти отходы утилизируют, например, ботва свеклы и рубленая солома идут на корм скоту. Солома после  химической обработки служит сырьем для производства дрожжей, из которых  получают белковые корма. В сельском хозяйстве солому частично используют как подстилку скоту. Однако в  больших количествах отходы растительности сжигают или вывозят на свалку, загрязняя тем самым ОПС.

Наиболее рациональный и  сравнительно дешевый способ переработки  отходов растительности - это компостирование.

Компостирование позволяет  получить ценный продукт для внесения в почву в качестве удобрения. Одновременно компостирование является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы более безвредными для ОПС. Гуммифицированные продукты после внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней.

Помимо остатков растительности компостировать можно городской  мусор, сырой осадок и активный ил станций аэрации, измельченные автомобильные  покрышки и др.

Важными параметрами процесса компостирования являются: соотношение  углерода, азота и фосфора, влажность, дисперсность, рН, аэрация, размер бурта.

Исходное сырье для  компостирования необходимо освободить от металла, стекла, пластмассы. Дисперсность частиц для компостирования не должна препятствовать аэрации и отводу углекислоты. Соотношение углерода к азоту в оптимальных условиях составляет 25:1-30:1, а фосфора - около 1:2. В качестве добавок, увеличивающих скорость процесса компостирования, применяют активный ил, компост, древесную щепу, опилки, солому. Оптимальная влажность 50-60%, температура 55°С. Парциальная составляющая газовой среды должна быть не менее 30%. Аэрация снабжает микроорганизмы кислородом, отводит воду, теплоту, углекислоту. Перемешивание предотвращает образование анаэробных зон, слеживаемость и рекомендуется проводить не реже 3-4 раз за весь процесс. Время компостирования 4-20 суток в автоматизированных установках (вращающихся) и до 3 месяцев - в стационарных (буртах). При компостировании высота бурта не должна превышать 1,5 м, ширина бурта - 2,5 м, длина не ограничена.

Состав готового компоста зависит от исходного сырья и  усредненно содержит следующие компоненты: органическое вещество - 75-80%; углерод - 8-50; азот - 0,4- 3,5; фосфор - 0,1-1,6; калий - 0,4-1,6; кальций (в виде СаО) - 0,7-1,5%. Важным результатом является практически полная непатогенность компоста, внесение которого рекомендуется, в зависимости от климатических условий осуществлять 1 раз в 3-4 года из расчета 8-15 т/га.

 

 

Заключение

 

Численность населения земного шара неуклонно  растет, что неумолимо идет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов. На первый план в научно-техническом прогрессе выходит биологическая наука. Она развивается стремительно, и в развитых странах многие ее достижения уже нашли свое применение в биологических технологиях. На современном этапе с помощью биотехнологий можно решить экологические проблемы, стоящие перед человеческим обществом в целом.Биотехнология - высокотехнологична. Сегодня для развития отечественного биотехнологического производства сложились следующие условия: научные кадры, большое количество перспективных разработок, производственный потенциал, растущий спрос на внутреннем рынке. Цивилизация переходит в новую эру - эру биотехнологий.

От современной  биотехнологии зависит восстановление "испорченной" среды обитания, в частности при решении следует прикладных вопросов:

а) утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

б) биологическая очистка природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

в) микробное восстановление загрязненных почв, получение микроорганизмов, способных нейтрализовывать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

г) компостирование (биологическое окислении) от растительности (опад листьев, соломы и др.);

д) создание биологически активного сорбирующе материала для очистки загрязненного воздуха.

На транспорте необходимо внедрение экологически чистых видов топлива (газа, неэтилированных бен), устройство каталитического дожигания и сплав вредных веществ, широкое внедрение электрики.

В холодильной технике  и технике кондиционирования переходит от хладагентов на базе хлорсодержащих углеводородов (фреонов), разрушающих озоновый слой, к озонобезопасным смесям, состоящим только из фторуглеводородов.

В машиностроении разрабатываются системы водоочистки для гальванических производств, переходящие к замкнутым системам рециркуляции воды и извлечения металлов из сточных вод, в области обработки металлов шире используется получение деталей из пресс-порошков.

В целлюлозно-бумажной промышленности внедряются процессы с низким расходом свежей воды на единицу продукции, применяя замкнутые и бессточные системы промышленного водоснабжения; максимально использующие экстрагирующие соединения, содержащиеся в древесном сырье, для получения целевых продуктов, совершенствуются процессы отбеливания целлюлозы с помощью кислорода и озона; улучшают переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами в целевые продукты; создаются про мощности по переработке бумажных отходов, в том числе макулатуры.

 

 

Список использованной литературы

 

1. Арустамова Э.А. Природопользование. М., 2002.

2. Э.А. Арустамов, И.В. Левакова, Н.В. Баркалова "Экологические ос-новы природопользования"

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

4. Кабиров Р.Р. Роль почвенных водорослей в поддержании устойчивости наземных экосистем // Альгология, 1991.Т.1.

5. Рыжов И.Н., Ягодин Г.А.  Школьный мониторинг городской  среды. М., "Галактика", 2005 , 192 с.