Успехи биотехнологий в решении экологических проблем

               В настоящее время более5% металлов в мире добывается данным способом. В перспективе его применение, несомненно, вырастет. Особенно предпочтительным является данные метод для переработки гальванических шлаков, загрязняющих окружающую среду.

                Существуют биотехнологические методы борьбы с метаном в шахтах. В основе этих методов лежит процесс поглощения метана метаноокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных пространствах. Для метаноокисляющих бактерий метан служит одновременно источником углерода и энергии. Около трети используемого метана расходуется на увеличение биомассы, а остальное – на образование органических соединений и СО₂.

               Среди методов интенсификации нефтеотдачи пластов заметное место принадлежит биотехнологии. Известно, что при нефтедобычи улавливается не более 50% ее запасов в пласте. Чтобы повысить нефтеотдачу пласта в подземные горизонты закачивают суспензию из углеродо- и метанобразующих бактерий одновременно с пластовой водой, обогащенной азотом и фосфором. Для активации биогеохимической активности микробов применяется аэрация в зоне нагнетательной скважины. В результате этого происходит микробное разрушение нефти с образованием СО₂, Н₂. Разрушение нефти и образование газов приводит к разжижению ее, увеличению текучести и повышению газового давления в пласте, что сопровождается увеличением нефтеотдачи до 30%[5].

 

3.Биотехнология переработки отходов

         Твердые и жидкие отходы – объективная и неотъемлемая часть жизнедеятельности общества.

          Биотехнологические методы используются для утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов и становятся все более перспективными по сравнению с традиционными механическими м физико-химическими методами.

          Особую важность биотехнологии приобретают в тех регионах, где наступает дефицит энергоносителей (угля, нефти, газа), если учесть, что экологические характеристики АЭС далеко не бесспорны.

          Утилизация отходов с энергетическими целями представляет собой анаэробную деструкцию, т.е. бескислородный ферментативный микробный процесс расщепления. Процесс ведут в биореакторах при температуре 30-33, время контакта твердых отходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток, а концентрация твердых веществ 3-5%. До 75% твердой фазы – это органические компоненты, и 50% из них превращается в биогаз. Выход биогаза составляет 1кг на 1кг биологически окисляемых веществ. Газ состоит из метана(65-70%), СО₂(25-29%), остальное - Н₂, Н₂S, NH₃. Средняя теплота сгорания газа 22-24 МДж/м3.

           Биогаз может быть использован в котельной очистной станции в качестве теплоносителя, а также на обогрев биореактора, на получение электроэнергии посредством газогенераторных установок, в сниженном виде – в качестве автомобильного топлива или бытового газа.

           Биогаз, образующийся на полигоне, извлекают при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена[4].

 

4.Биотехнология защиты атмосферы

          Дурнопахнущие загрязнения воздуха образуются в результате различных процессов. Молекулы, служащие источником зловония, часто являются органическими и поэтому могут быть подвергнуты микробной деградации. Эти вещества ощущаются в очень малых концентрациях. Если известно место расположения дурнопахнущего вещества, то запахи могут удаляться биотехнологически  в «сухих» или «мокрых» биореакторах.

           «Сухой» биореактор загружается насадкой из биоактивного сорбирующего материала, через который продуваются загрязненные газы. Сорбированные соединения активно окисляются микробными сообществами, развивающимися на поверхности насадки, одновременно регенерирую ее. По такой схеме проводится очистка воздуха в животноводческих помещениях.

«Мокрый»  реактор работает как реактор  с насадкой из биомассы, через который  противотоком проходит жидкость (часто  это сточные воды) и загрязненный газ (например, воздух). Газы при этом переносятся из газовой фазы в жидкую, затем окисляются закрепленной на насадке биомассой.

           Основные преимущества этого процесса:

- биоокисление снижает практически до нуля содержание дурнопахнущих загрязнений;

- параллельно  решается проблема удаления сточных  вод[4].

 

 

5.Биотехнология охраны земель

          Почва загрязняется неорганическими веществами, пестицидами, из нее выводятся с сельскохозяйственными культурами органические и неорганические соединения, что изменяет химический состав почвы, обедняет ее, приводит к снижению урожайности.

Внесение  удобрений частично решает эту проблему. Но, с другой стороны, оно связано  с большими энергозатратами. Считается, что производство стакана молока эквивалентно стакану дизельного топлива. Самым лучшим удобрением является навоз крупного рогатого скота. Русские крестьяне в прошлом держали корову не только ради получения молока или мяса, но и для получения удобрения.

            Сегодня имеются ресурсы по качеству близкие навозу крупного рогатого скота. Это осадки сточных вод станция аэрации. Хороши они еще и тем, что безгранично пополняют ресурсы. Однако их широкому применению в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Второе требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах. В настоящее время выращивают микроорганизмы, которые способны при внесении их в почву продуцировать полимеры, переводящие тяжелые металлы в неподвижные формы, Одновременно осуществляется процесс фиксации азота. Уже давно известно применение калифорнийского красного червя для получения биогумуса, биологически ценного удобрения, из клетчаткосодержащих органических отходов. Пропущенный через тело червя гумус обогащен необходимыми аминокислотами и микроэлементами.

             Земля загрязняется нефтью. Это одно из наиболее распространенных и стойких загрязнений. Естественная микрофлора способна разрушать загрязнения такого рода, но масштабы загрязнений не всегда позволяют это сделать удовлетворительно.

             Существует биотехнологический прием, называемый микробным восстановлением почвы. Он заключается в том, что смешивают загрязненную нефтью почву с измельченной сосновой корой, на поверхности которой имеются микроорганизмы, способные разрушить нефть.

              Перспективным и эффективным является препарат «путидойл», представляющий клеточную массу бактерий. Внесение этого препарата на загрязненные нефтью или нефтепродуктами места позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов и восстановить естественные свойства почвы.

 

 

6.Биотехнология очистки вод

          Биологическая очистка природных и сточных вод известна давно, роль ее в перспективе будет возрастать.

          В настоящее время биологические методы позволяют разрушать только относительно простые органические и аммонийные соединения, так называемые биологически мягкие. Другие соединения – неорганические вещества, являющиеся восстановителями, комплексные соединения, сложные органические вещества – удаляются при данной технологии лишь частично, они относятся к биологически жестким. Наличие тех и других веществ в сточных водах, особенно биологически жестких, представляет угрозу окружающей природной среде. Разработка методов детоксикации таких загрязнений – перспективная задача биотехнологии очистки вод.

          Для обеспечения стандартов качества очищенных вод отработка способов биотехнологий может проводиться в нескольких направлениях.                  Наиболее близкими к реализации приемами биотехнологии являются следующие:

-  селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций. Она заключается в поиске и выделении активных культур и штаммов, которые способны видоизменять ксенобиотики и которые можно использовать в качестве посевного материала в соответсвующих биореакторах.

-  иммобилизация. Это процесс, при котором клетки прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от показателей среды обитания. Иммобилизационные системы требуют подвода энергии в виде кислорода, перемешивания и пр.

- ферментативные катализ. Он предполагает создание фермента для биодеструкции конктретного ксенобитика. При этом скорость процесса возрастает на 2-3 порядка, а объем реактора уменьшается.

-  мутация штаммов. Интенсификации процесса биодеструкции загрязнения можно добиться путем мутации штаммов за счет физического воздействия или химического воздействия. Практика показывает, что за счет мутации повышается эффект очистки сточных вод на 50-70%. Однако для этого требуется периодическая обработка биомассы, так как чаще всего мутированные признаки со временем снижаются.

- генная селекция. Она основана на накоплении мутированных свойств организмов. Процесс весьма длительный и случайный. Его применяют в биотехнологии очистки производственных сточных вод от тяжелых металлов и от окисленных кислородосодержащих соединений некоторых элементов.

- генная инженерия. Этот прием заключается в использовании методов рекомбинантной ДНК, т.е. в соединении определенных специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Этот прием более направленный и быстрый. Введение в гены быстро растущих штаммов, несущих информацию и биодеградацию ксенобиотиков, позволяет получить эффективные культуры, поместить их в реактор и обеспечить детоксикацию сточных вод[6].

 

 

7.Биотехнология переработки отходов растениеводства

           Отходы растительности – опад листьев, ботва свеклы, моркови, листья капусты, очистки картофеля и образующиеся в больших количествах стебли зерновых и прочее. Эти отходы представляют собой клетчаткосодержыщие остатки, не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитарно-гигиеническим соображениям. Локально и в небольших количесвах такие отходы утилизируют. Например, ботва свеклы и рубленная солома идет на корм скоту. Солома после химической обработки служит носителем и частично средой для производства дрожжей, из которых получают белковые корма.

             Из части отходов после бескислородной ферментации получают биогаз. Солому частично используют как подстилку для скота. Однако большая часть отходов либо сжигается, либо вывозится на свалку, загрязняя тем самым окружающую природную среду.

Наиболее  рациональным и сравнительно дешевым  способом является компостирование. Компостирование- это экзотермический процесс  биологического окисления, при котором  органический субстрат подвергается бескислородной деградации с помощью микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности.

             При этом органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образование гумуса. Полученный продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение и как средство улучшения структуры почвы. Гумифицированные продукты, внесенные в почву, быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней. Компостирование позволяет получить ценный продукт и снизить загрязнение окружающей среды за счет разрушения низкоактивных отходов. Компостированию могут быть подвергнуты городской мусор, сырой осадок и активный ил станции аэрации, измельченные автопокрышки и т.д[4]. 

 

Вывод.

          Обеспечение экологической безопасности является первостепенной задачей каждого специальста любого профиля и ранга. Поэтому важно, чтобы в процессе профессиональной подготовки у студента была в достаточной степени сформирована экологическая культура.

           В данной работе были рассмотрены виды мониторинга, пути снижения загрязнения, основы контроля за качеством окружающей среды. Знания рассмотренных вопросов позволит специальстам успешно справиться с проблемой рационального природопользования, несмотря на постоянный рост промышленного и сельскохозяйственного производства

Необходимо  заметить, что, действительно, гармоничное  взаимодействие человека и природы  возможно только при одновременном  решении экологических, технических, технологических, организационных  и экологических задач.

            Выявлено, что имеются весьма многообразные биотехнологические манипуляции с клеточными структурами и протопластами. Биотехнологические методы широко применяют в медицине и сельском хозяйстве, промышленности.

             Необходимо отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным условием хозяйствования. Но главным критерием всегда должно быть получение безвредных для природы стоков.

Чтобы стимулировать оздоровление экологической  ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода требуют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных.

 

 

   Список литературы.

1. Мониторинг, контроль и управление качеством окружающей среды. Часть 3. Оценка и управление качеством окружающей среды/ Потапов А.И., Воробьев В.Н., Карлин Л.Н., Музалевский А.А. Научное и учебно-методическое справочное пособие - Санкт-Петербург: РГГМУ, 2005.- 600 с.
2. Основы биотехнологии/ Дроздова Т.Е., Иванова Е.П. Москва: МГОУ, 2001.- 204с.
3. Теоретические основы прогрессивных технологий/ Дроздова Т.Е. Москва: МГОУ, 2001.- 212с.
4. Физико-химические основы охраны окружающей среды в горнопромышленных регионах/ Шевченко Т.М., Шевченко Л.А, Учебное пособие – Кемерово: КузГТУ, 2006.-135с.
5. http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt12_1.htm
6. http://www.cbio.ru/modules/news/article.php?storyid=2503
7. http://n-t.ru/tp/ns/bt.htm
8. http://subscribe.ru/catalog/industry.eq.ecotech