Научная работа: Живые утилизаторы

Еще одним важнейшим вопросом проблемы отходов является изыскание наиболее эффективных методов и средств очистки, обезвреживание и утилизация бытовых и производственных сточных вод, которые во всех промышленно-развитых странах являются основными источниками загрязнения природных водоемов и атмосферы. Об остроте, масштабности задачи говорят такие данные: ежегодный водозабор из природных источников на хозяйственно-бытовые нужды в настоящее время во всем мире составляет 3,5 тысячи кубических километров, а объем воды, загрязняемой промышленно-бытовыми стоками, равен 6 тысячам кубических километров.

В природе любая, даже самая незначительная, на первый взгляд, часть может оказать большое влияние на какую-либо сложившуюся ситуацию. Например, микроорганизмы совершают громадную работу по созданию одних горных пород и минералов и разрушению других, механизм этой работы часто наводит на мысль о возможности использования этого процесса работы, но уже в решении экологической проблемы.

Крупные месторождения серы постепенно иссякают, а новые обнаружить все труднее. Выход нашелся совер­шенно неожиданно. Стало известно, что арабы, живущие у озера Айнез-Зауя в Северной Африке, в течение многих лет добывали на его берегах серу. И сейчас в во­дах этого озера совершается таинство сероосаждения : 20-сантиметровый слой серы устилает все дно. Аналогич­ная картина наблюдается и на озере Серном Куйбышевской области, в котором еще при Петре I добывали серу для производства пороха. Чтобы проникнуть в тайну этого процесса, построили миниатюрную модель озера и поставили ряд опытов: в обычную колбу с водой помести­ли гипс и сульфат натрия, затем в этот же сосуд поселили сульфатредуцирующие и так называемые пурпурные бактерии. Первые создавали из исходных веществ сероводород, а вторые переводили его в серу. На стенках и дне колбы выпадал осадок серы!

Расчеты показывают, что при воспроизведении усло­вий лабораторных экспериментов в водоеме глубиной 5 метров и площадью 1 квадратный километр за сто дней серобактерии выработали бы от 100 до 500 тысяч тонн серы! Цифры довольно убедительно говорят о вы­сокой «производительности» труда рабочих-невидимок. Реальность расчетов можно подтвердить также примером, приведенным академиком В. Вернадским в «Очерках гео­химии»: микробы так быстро размножаются в подхо­дящих условиях, что одна бактерия за 4—5 дней может образовать 10 особей. Значит, все дело в том, чтобы создать микробам подходящие условия, и тогда они будут работать «не за страх, а за совесть».

Не менее подходящей, а главное, дешевой средой для деятельности серобактерий могут стать сточные, канализационные воды. Здесь можно получить двойной выигрыш: микробы будут вырабатывать серу и одновременно очищать городские отходы.

Преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать в 1989 г., когда танкер «Валдиз» компании «Экссон» наткнулся на риф у побережья Аляски. В море вылилось около 40 тыс. т нефти, загрязнившей 2 тыс. км побережья. Это было самым значительным загрязнением за всю историю США, и произошло оно в одном из самых чистых уголков Земли. Погибли: 1 млн. птиц, 95% тюленей, 75% участков обитания лосося на Аляске были загрязнены.

Ликвидация последствий катастрофы обошлась в 2 млрд. долл. К механической очистке побережья привлекли 11 тыс. рабочих и дорогое оборудование. Параллельно для очистки берега в почву внесли азотное удобрение, способствовавшее развитию природных микробных сообществ. Это в 5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, сказывались бы и через 10 лет, в основном устранили за 2 года. Затраты на биоочистку не превысили 1 млн. долл.

С каждым днем все больше экспертов считают, что именно биотехнологии становятся символом могущества современной науки, воплощением достижений цивилизации. Когда-то у побережья Пакистана затонул танкер с десятками тысяч тонн нефти. Животному миру и побережью Аравийского моря нанесен огромный ущерб. Биотехнологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды в состоянии предотвратить такие потери.

Нефтью и нефтепродуктами сегодня загрязнена даже Антарктида. В России же вообще добыча, транспортировка и переработка нефти воспринимаются как страшная угроза живой природе. И не без оснований – в Западной Сибири, где сорок лет назад начали осваивать крупнейшие месторождения, на огромных территориях нефть уничтожила все живое.

Проблема оказывается в центре внимания СМИ, когда случаются крупные разливы (аварии танкеров, разрывы нефтепроводов). Но проходит время, это перестает быть новостью, и о «нефтяной угрозе» биосфере благополучно забывают, хотя покрытые нефтяной пленкой акватории, пляжи или участки тайги не восстановятся и через десятилетия. На автозаправочных станциях, аэродромах, военных базах (точнее, под ними) все чаще находят огромные «линзы» нефтепродуктов. Загрязнения нефтепродуктами крайне опасны, ибо некоторые их компоненты, в частности полиароматические углеводороды, весьма токсичны (канцерогенны) и разрушаются крайне медленно.

Бороться с загрязнением окружающей среды, как оказалось, могут микроорганизмы. Они эффективнее любых других живых существ превращают сложные соединения в простые. Для микробов это просто процесс питания – использование сложных органических соединений в качестве источников азота, углерода, фосфора и т.д. Сложные соединения служат пищей, а простые поступают в биосферу, участвуя в знакомом со школы цикле органических соединений. Но микроорганизмам приходится иметь дело и с новыми для них соединениями, которые прежде были надежно спрятаны в тайниках планеты, скажем, глубоко под ее поверхностью. Так произошло и с нефтью, которую «вытащили» на поверхность. С каждым днем в биосферу попадают все новые синтетические органические соединения, которых никогда не было в природе. И микробы не только демонстрируют фантастическую способность к их переработке, но и непрерывно эволюционируют. И здесь специалисты возлагают надежды на микроорганизмы, полученные методами генной инженерии и обладающие нужными свойствами. Однако общество боится гипотетических рисков генной инженерии, в том числе и «выведенных» с ее помощью микроорганизмов. Кстати, далеко не все генетически модифицированные микроорганизмы – продукты генной инженерии: они прекрасно обмениваются генами и в природе.

Кроме очевидного использования микроорганизмов в решении экологических проблем, существует и их «косвенное» участие.

Легко растворимая за­кись железа выносится с водой на поверхность. Здесь под действием железобактерий она окисляется, превращается в нерастворимую гидроокись и выпадает в осадок. В результате железо перекочевывает из глубин Земли на поверхность и откладывается в виде железной руды. На это еще в 1888 году указывал известный русский микробиолог С. Виноградский (1856—1953).[5;56]. Все важнейшие мировые месторождения железа, по мнению ряда ученых, имеют бактериальную основу. Член-корреспондент АН СССР А. Вологдин (1896— 1971) отмечал, что ему приходилось наблюдать под микроскопом останки древних железобактерий во многих рудах — из Кривого Рога, с Кольского полуострова, из Казахстана, из Сибири, с Дальнего Востока. И на дне Мирового океана океанологи обнаруживают колоссаль­ное количество скоплений железомарганцевых конкре­ций, как полагают, микробиологического происхождения.

А поскольку эти бесконечно малые организмы ведут такую титаническую геологическую деятельность в масштабах нашей планеты, если они так могущественны и всесильны, то их, естественно, нужно заставить работать на челове­ка не только в микробиологической, химической, пище­вой, фармацевтической промышленности, в сельском хозяйстве, в горнорудной и металлургической промышленности, но и в биометаллургии и биогорнорудной промышленности.. Здесь для них необъятное поле деятельности.

Более тридцати лет назад провели исследование ржа­вого осадка в шахтных и рудничных водах. Предполага­лось, что он образуется только в результате окисления. Опыты же показали, что в стерилизованной воде железо практически не окисляется, зато в шахтной... Трое суток — и оно покрылось красноватым налетом. Виновники этой «химической диверсии» были обнаружены с помощью микроскопа. То, что раньше принимали за обычную реакцию, оказалось биологическим процессом, в котором главную роль играют серо- и железобактерии. Те же самые серобактерии по собственному почину освобо­ждают уголь от соединений серы: за месяц они окисляют до 30 процентов серы и удаляют ее в виде серной кисло­ты. Процесс этот протекает слишком медленно, чтобы применять его в промышленности. Но зато он не требует никакого специального оборудования.

В своей жизнедеятельности серобактерии выступают, подобно двуликому Янусу, сразу в двух амплуа: в роли создателей месторождений серы и в роли рудных бра­коньеров. Они разрушают вскрытые месторождения сульфидных руд, окисляя нерастворимые в воде сульфиды металлов и превращая их в легкорастворимые соеди­нения. Разумеется, сульфоредуцирующие микробы об этом даже не подозревают. Добывая себе энергию за счет реакции окисления, они, как отмечалось выше, хищнически разоряют залежи сернистых руд. Переведен­ные в растворимую форму соединения металла вымы­ваются дренажными и почвенными водами. Ценный продукт беспрепятственно уходит из руды и теряется безвозвратно.

А можно ли рудных браконьеров перевоспитать, превратить из хищников в обогатителей бедных руд, в дея­тельных металлургов? - Можно! Продукты собственного химического производства не интересуют железо- и се­робактерии. Неорганические молекулы для них лишь своеобразные «дрова». Сжигая их в «пламени химиче­ского костра», они получают необходимую для себя энергию. Следовательно, не ущемляя интересов бакте­рий, с ними можно заключить взаимовыгодный дого­вор: вам — вершки, а нам — корешки, вам — тепло «химического костра», а нам — его золу. Именно с этой целью и вступили уральские ученые «в союз» с серобак­териями. Они разработали схему первой опытно-про­мышленной установки по бактериальному (подземному) выщелачиванию металла из медных и цинковых руд. Она оказалась предельно простой. По трубопроводу в скважины подается бактериальный раствор. Он увлажняет руду. Бактерии окисляют металл, и он переходит в раст­вор (концентрат), который выкачивается на поверхность в специальные желоба. На этом производство концентра­та заканчивается. Содержание металла в нем достигает 80 процентов. Только за время опытов на Дегтярском месторождении с помощью бактериального выщелачи­вания были добыты десятки тонн меди, причем руда бра­лась с отработанных участков месторождения. Получен­ная этим способом медь почти втрое дешевле, чем при использовании других методов.

Не секрет, что металлургам все чаще и чаще прихо­дится иметь дело с бедными рудами, волей-неволей приходится затрачивать огромные средства на сооруже­ние больших комбинатов, единственное назначение которых — увеличить содержание металла в руде. От всего этого нас освободит будущая высокоскоростная биоме­таллургия, фундамент которой закладывается сегодня.

Опыт подземного выщелачивания показал, что ис­пользование бактерий особенно эффективно на послед­ней, завершающей стадии эксплуатации рудников. На этом этапе они вообще незаменимы. Обычно в выра­ботанных месторождениях, как правило, еще остается от 5 до 20 процентов руды. Извлечь ее современными техническими средствами почти невозможно. Добраться до этого подземного кладбища меди можно лишь одним-единственным путем — мобилизовав многомиллиард­ную армию бактерий. Подобно трудолюбивым муравьям или сказочным гномам, они будут без устали работать, переводя металл из невыработанных остатков руды в раствор. Так можно вернуть, по меньшей мере, три четвер­ти оставшихся запасов медной руды. Тридцать пять лет назад закрылось месторождение Южная Выклинка. Марк­шейдеры сказали — меди нет. Призвали на помощь бактерии — начали получать десятки тонн металла. Таким же путем на мексиканском руднике из старых, заброшен­ных забоев за один только год было «вычерпано» 10 тысяч тонн меди.

По мере выработки природных месторождений цен­ных ископаемых взоры специалистов все чаще и чаще обращаются к накопившимся у шахт и рудников отвалам пород. Уже в первых опытах бактерии и здесь зарекомен­довали себя самыми экономными и непривередливыми металлургами. За многие годы в Мексике на месторожде­нии Кананеа возле шахт скопилось около 40 миллионов тонн отвалов породы. Содержание меди в них мизерное — всего 0,2 процента. Отвалы начали орошать шахтной во­дой, которая стекала затем в подземные резервуары. Из каждого литра собранной воды бактерии извлекли по три грамма меди. В итоге — 650 тонн дорогого металла в месяц!

Методом выщелачивания с помощью микроорганиз­мов можно добывать такое важное в наше время топли­во, как уран. Обычно он находится в рудах в очень невысо­кой концентрации. Поэтому для добычи урана выгодны малоэнергоемкие методы. Уран может быть извлечен с помощью кислых растворов, образованных бактериаль­ным окислением сульфидов. Сама организация бакте­риального выщелачивания урана довольно проста. Дроб­леную руду складывают в штабеля на водоупорной пло­щадке, например асфальтированной. Затем кучи высо­той до 2 метров увлажняют, и в них происходит развитие тионовых бактерий за счет имеющихся сульфидов. При­мерно за два года происходит выщелачивание до 80 процентов урана. При подземном выщелачивании забалансированную пиритизированную урановую руду орошают в выработках. Орошающие воды выкачивают на поверхность, и уран извлекают из раствора на ионо­обменных смолах. Вода с сернокислым закисным железом поступает в прудки, где происходит окисление железа, и кислый раствор вновь поступает на орошение руды.

В природе сравнительно редко встречаются руды, содержащие только какой-либо один металл. Чаще всего в них имеется целый комплекс различных сопутствую­щих компонентов. Это относится почти ко всем полиметаллическим рудам цветных металлов и ко многим другим полезным ископаемым. Так, например, титаномагнетиты содержат, кроме железа, титан и ванадий. В каменных углях, железных рудах находятся германий и другие рас­сеянные элементы. Народное хозяйство, разумеется, заин­тересовано в максимально полном извлечении всех цен­ных компонентов, содержащихся в рудах, иными словами, в организации комплексной переработки руд. Успешно решить эту большой народнохозяйственной важности за­дачу можно опять-таки с помощью бактерий. И ученые ведут целенаправленный поиск в мире микробов все новых и новых тружеников для биометаллургии. Цинк, молибден, железо, хром — таков сейчас далеко не полный ассортимент металлов, добываемых микроорганизмами у нас и за рубежом.

Алхимики средневековья мечтали о философском камне, способном превращать любые металлы в золото. В наши дни ученые собираются добывать золото при помощи... бактерий. На первый взгляд такая идея и сейчас может показаться фантастической. И многие специалисты так и расценивали ее до самого последнего времени. Аргументы были веские. Золото — металл инертный, на него не действуют даже концентрированные кислоты. Только «царская водка» (смесь соляной и азотной кислот) одолеет чистое золото. Поскольку микроорганизмам не под силу конкурировать с такой «адской смесью», их поприще деятельности, говорили скептики, медные и железные рудники. Но живая природа показала иное. И вот каким образом.

В Сенегале на берегу реки Иввары есть золотоносный холм Ити. Месторождение это промышленного значения не имеет, так как размер частиц самородного золота н. е превышает микрона и плотность залежи чрезвычайно мала. Лишь местные золотоискатели, затрачивая массу времени и сил, стоически продолжают копать и промывать землю, получая в награду за свой поистине сизифов труд мизерное количество пыли желтого металла. Каза­лось бы, за многие десятилетия, хотя и кустарной раз­работки золотоносной жилы ее тощие запасы должны были бы иссякнуть. Но вот чудо! Золотая жила Ити остает­ся неисчерпаемой. Впечатление такое, будто кто-то все время пополняет месторождение запасами драгоценного металла. Р. Мартинэ — директор Бюро геологических изысканий и шахт в Дакаре, узнав о таинственной неис­сякаемости золотоносной жилы холма Ити, высказал предположение, что это результат деятельности мик­робов.

Нашли среди микроорганизмов советские ученые и та­ких «специалистов», которые позволяют решить одну давнишнюю и чрезвычайно важную производственно-технологическую проблему в угольной промышленности. Речь идет о новом методе — использовании бактерий для предотвращения подземных взрывов. На первый взгляд это может показаться невероятным, в действитель­ности идея оказалась не такой уж утопичной.

В любом месторождении угля находится большое количество метана, рассеянного в угольной массе. За мно­гие миллионы лет под действием геологических факто­ров (давления, сжатия и разрыва пород) метан мигрирует по пласту, заполняя все пустоты, и находится под повышенным давлением. При промышленной эксплуатации место­рождений угля нарушается геологическая плотность пласта, и часто происходят неожиданные катастрофические выбросы. Выделяясь из трещин и пустот в угле, метан при концентрации от 5 до 16 процентов образует с возду­хом взрывчатую смесь, И тогда достаточно одной искры, чтобы с оглушительным ревом по шахте прокатился огненный смерч, круша все на своем пути.

Метан — газ без цвета и запаха. Как же обнаружить его присутствие в атмосфере подземных выработок и удалить его из шахты?

В старину можно было наблюдать такую картину. Человек, закутанный с ног до головы в мокрую доху, бредет, вдоль забоя по всем подземным закоулкам. В ру­ках у него горящий факел, которым он водит во все стороны, опускает к полу, поднимает к своду. А вокруг и впереди одиноко идущего смельчака подстерегает смерть. Она прячется в черных, тускло поблескивающих пластах угля, медленно сочится по мельчайшим порам и трещинам. Человек должен выявить и обезвредить ее — такова профессия газожега, которая была, пожалуй, одной из самых опасных. Не прогремит взрыв, вернется факель­щик — можно и уголек брать. А часто не возвращался...

Других способов выявить наличие в шахте метана в старину не было. Идти в газожеги людей заставляла нужда. Профессия эта исчезла лишь тогда, когда «индикаторами» стали служить канарейки. Эти птицы, очень чутко реагирующие на недостаток кислорода, за многие годы спасли немало шахтерских жизней. Позднее на смену канарейкам пришла шахтерская бензиновая лам­па: при наличии метана над ее пламенем появлялся голу­боватый ореол.