Научная работа: Живые утилизаторы

Еще в начале нашего века были открыты бактерии, питающиеся метаном в смеси с воздухом. Они охотно поедают метан в любой концентрации, даже в самой взрывоопасной. Разумеется, такое ценное качество не могло остаться незамеченным. И уже в 30-х годах ученые начали думать, как использовать эти бактерии для борьбы с коварным газом. Первые эксперименты были проведе­ны в 1937 году профессором А. Юровским. Но дальней­шей работе помешала война. О бактериях, поедающих метан, вспомнили лишь через 37 лет.

Ученые Московского горного института под руковод­ством члена-корреспондента АН СССР В. Ржевского, докторов технических наук А. Бурчакова, Э. Москаленко, Н. Ножкина разработали микробиологический метод борьбы с метаном и успешно опробовали его в 1974 году на ряде шахт Донецкого бассейна. Технология нового метода достаточно проста.

В угольном пласте бурятся скважины на расстоянии 10 метров друг от друга, и в них нагнетается под давле­нием минерализованный водный раствор — питательная среда вместе с бактериями. Бактерии распространяются по трещинам и порам, где скапливается метан, но к «работе» пока не приступают: для этого им нужен воздух. Он закачивается в скважины непрерывно в течение дли­тельного времени — от пятнадцати суток до полутора месяцев в зависимости от количества газа. И все это время бактерии размножаются и поедают метан. Затем вода откачивается, горные выработки продуваются, и можно вполне безопасно добывать уголь.

Применение этого метода гарантирует ликвидацию всего метана в пластах, подготавливающихся к эксплуата­ции.

Что ж, в биотехнологии, как и в любой новой технологии, никогда не будет гарантии нулевого риска. Просто современные знания позволяют ученым утверждать, что микроорганизмы можно с успехом применять для очистки многострадальной природы от токсичных соединений.

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.

Однако микробам и самим нужна помощь. Скажем, им предстоит разлагать углеводороды нефти, но для улучшения «аппетита» им не хватает, например, азота, фосфора или кислорода (нефтяная пленка может перекрыть доступ кислорода). Значит, нужно снабдить их тем, чего им недостает: кислородом и влагой, вспахав и полив землю. Используют и биопрепараты на основе микроорганизмов, разлагающих различные углеводороды. Их запахивают в почву или распыляют в виде водных суспензий. Наконец, третий подход, который выглядит наиболее перспективным, – совместное использование растений и микроорганизмов. Растения помогают микроорганизмам, снабжая их корневыми выделениями, содержащими нужные питательные вещества, а микробы, в свою очередь, помогают растениям усваивать те вещества, которые без них растениям усвоить было бы нелегко. Дополнительная работа, как правило, невелика – семена просто опыляют биопрепаратами. На прорастающих семенах начинают развиваться микроорганизмы, и у них гораздо больше шансов обосноваться на корнях растений, чем у конкурентов. Многие растения эффективно аккумулируют тяжелые металлы, «высасывая» их из почвы. Микроорганизмы сделать это не могут, хотя зачастую способствуют поглощению токсинов. Система «микробы – растения» очищает почву и от органики, и от тяжелых металлов. Так очищали почвы и от мышьяка и других токсичных соединений.

Этот подход к очистке окружающей среды быстро развивается. При рассеянных загрязнениях (нефтепродукты, пестициды, тринитротолуол, которым загрязнены многочисленные полигоны и стрельбища) ему просто нет альтернативы. Выяснилось, что и растения перерабатывают органические соединения (прежде это считалось невозможным). Все чаще и химические средства защиты растений заменяют микробиологическими, используя вместо ядохимикатов микроорганизмы, стимулирующие рост растений и защищающие их от болезней и вредителей.

В отличие от промышленной биотехнологии, где все параметры технологического процесса строго контролируются, при использовании микробов для очистки окружающей среды такой контроль затруднен. Это всегда «ноу-хау», своего рода искусство, которое предполагает не только высочайшее мастерство, но и особый дар. Поэтому бороться с нефтяными разливами должны не подразделения МЧС, военные или добровольцы с мешками и лопатами, а специальные структуры, созданные при всех компаниях, занимающихся добычей, транспортировкой или переработкой нефти. Если компания не в состоянии гарантировать, что способна самостоятельно справиться с любой аварией, которая может возникнуть в процессе ее деятельности, ей нельзя работать с нефтью. Это требование может показаться слишком жестким, но только его беспрекословное выполнение оставляет надежду на то, что мы сумеем победить нарастающее загрязнение биосферы, а не оно нас.

Одним из важнейших вопросов проблемы отходов является изыскание наиболее эффективных методов и средств очистки, обезвреживания и утилизации 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 промышленных сточных водах содержится множество компонентов, весьма опасных для человека: канцерогенные вещества, фторированные углероды, биоциды, тяжелые металлы, шламы различных производственных процессов. Одной из основных тенденций в современной мировой практике является разработка методов очистки сточных вод с повторным их использованием в технологических процессах (оборотное водоснабжение).

Невысокая эффективность применяемых индустриальных методов очистки промышленных вод, требующих крупных капитальных затрат и эксплутационных расходов, побудила прибегнуть к помощи микроорганизмов, заняться разработкой и внедрением дешевых, малоэнергоемких и надежных биологических и биохимических методов очистки.

За последнее десятилетие предложено довольно большое число биохимических методов очистки сточных вод. В общем виде биохимическую очистку условно разделить на две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью адсорбции из сточных вод тонкодисперсных и растворимых примесей органических и неорганических веществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в ней биохимических процессах (окисление, восстановление). Обе стадии могут происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Оригинальный метод уничтожения пластмассовой тары разрабатывают шведские ученые. Они выводят специальные бактерии, которыми будет «заражаться» пластмасса при изготовлении. Некоторое время бактерии должны находиться в состоянии покоя, а когда тара будет выброшена, под воздействием окружающей среды они активизируются и разрушат пластмассу...

Пока мир микробов изучен гораздо хуже, чем мир животных и растений. Без риска ошибиться, можно ут­верждать, что микробиологам сегодня известно не более десятой доли видов микроорганизмов, населяющих водоемы и почву.

Научный поиск полезных бактерий, которых надо было бы «приручить», заставить работать на человека в различных областях его практической деятельности, в сущности, только начинается. Предстоит выделить и изучить десятки и сотни новых видов, которые раньше было невозможно обнаружить на питательных средах, применявшихся со времен Луи Пастера и Роберта Коха-

Одной из важнейших проблем ближайшего будущего является выведение микробов «домашних пород», обладающих повышенной активностью. Исходя из этого, ученые намечают провести в ближайшие годы большую работу по окультуриванию «диких» форм микробов и созданию новых, более полезных культур путем ра­диационных и химических мутаций и гибридизации. По эффективности и производительности они будут, как полагают микробиологи, в сотни раз превосходить своих «диких» собратьев. Они смогут выполнять функции, не свойственные ни одному природному микробу, и выполнять их направленно.

§3. Будущее микроорганизмов

В недалеком будущем реально встанет вопрос об управлении ценозами (живыми сообществами) как на полях, так и в «дикой» природе и в невидимом мире микробов.

Уже созданы математические модели, описывающие взаимоотношения организмов в сообществах. А это — первый шаг к управлению ценозами.

Нью-йоркский изобретатель нашёл несложный способ сделать жизнь в городах чуть чище и ближе к природе. Он попытался представить, что будет, если естественную почву под ногами скрестить с привычными для нас непроницаемо-твёрдыми и скучными плитами мостовой.

Итак, Biopaver - это сборная водопроницаемая система мощения улиц, которая гарантирует надлежащий дренаж и даже сражается с загрязнителями.

Каждый камень Biopaver состоит из трёх основных компонентов: бетонная оболочка, разлагаемый микроорганизмами пластиковый вкладыш (он нужен при отливке плиты), ядро из