Статья: Экологические аспекты современной биотехнологии

Бактериальные удобре­ния и стимуляторы роста растений

То же

Создание культурных ра­стений, способных фикси­ровать атмосферный азот без участия микроорга­низмов

Получение из отходов полез­ных продуктов или обезвре­живание их

Средства для диагностики, иммуностимуляторы, вакци­ны, антибиотики и др.

Получение методами генети­ческой и клеточной инжене­рии культурных растений, при возделывании которых отпадает необходимость ис­пользования ядохимикатов как средств борьбы против вредителей и болезней Специальные микробиологи­ческие или другие биологи­ческие препараты селектив­но уничтожают вредных на­секомых, грызунов или воз­будителей болезней Усиление биологической фиксации атмосферного азо­та, мобилизации фосфора; ускорение роста органов ра­стений; снижение потребно­сти в минеральных удобре­ниях

Перенос методами генетиче­ской инженерии в геном ра­стений генов от микроорга­низмов, определяющих фик­сацию

Аэробная биологическая очистка стоков

Коммунальные и произ­водственные сточные во­ды

То же

Анаэробная биологиче­ская очистка стоков

В аэротенках спонтанная микрофлора в присутствии кислорода утилизирует орга­нические вещества стоков и накапливается биомасса — активный ил. Содержание СВ снижается на 50 % В метантенках анаэробная микрофлора утилизирует ор­ганические вещества, в том числе активного ила, полу­ченного после аэробной об­работки с образованием био­газа (95% от переработан­ного органического вещест­ва)

Селективная утилизация Промышленные стоки индивидуальных химиче­ских соединений стоков

Управляемое компостиро- Сельское хозяйство, го-вание твердых отходов родские свалки

Детоксикация почвы от Почва пестицидов и других хи­мических загрязнений

Специально адаптированные культуры микроорганизмов обычно в иммобилизованном виде утилизируют опреде­ленные вредные вещества (фенол, кислоты и др.) При аэрации твердых отхо­дов ускоренно происходит микробная деструкция части компонентов субстрата с об­разованием компоста Промыванием почвы и мик­робиологической обработкой промывных вод достигается утилизация вредных соеди­нений, накапливающихся в почве при химизации сель­скохозяйственного производ­ства

Биосорбция металловСточные воды

Диагностика степени за- Сточные воды, почва, грязнения средывоздух

В специальных биофильтрах микроорганизмы селективно сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том числе радиоактивные При помощи моноклональ-ных антител или иммунофер-ментного анализа опреде­ляют присутствие вирусов и бактерий. При помощи фер­ментов контролируют при­сутствие в среде определен­ных веществ

Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются

системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми

выбросами. В аэробных и анаэробных условиях обычно с помощью иммобилизованных культур микроорганизмов в жидких стоках разрушают большое количество органических соедине­ний. Примером может быть окисление сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillusdenitrificans, иммобилизованными в геле альгината. Процесс происходит в анаэробном биофильтре. В гель включают также СаСОэ для поддержания буферности и ионы Са²⁺ в качестве структури­рующего фактора в гранулах альгината. Такая система обеспечи­вает утилизацию сульфидов из раствора в течение 12 сут при их концентрации 26 промиль (К. L. Sublette, 1988).

Учёными-биотехнологами разработана также биотехнологическая система для окисления металлов в грязеобразной среде с содержанием сухого вещества 10—30 %. Так, бактерии рода Leptespirillum окисляют ртуть, серебро, молибден, селен и др. (Е. A. Griffin et. al., 1989). Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводо­родов нефти.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОКОВ

Известно, что в естественных условиях в водоемах и в почве происходит биологическое самоочищение. Но как только концентрация вредных веществ превышает критическую, развитие живых организ­мов, а также процесс биологического самоочищения нарушается. Под влиянием чужеродных вредных веществ нарушается уста­новившееся равновесие, возникают нежелательные изменения, отрицательно воздействующие на здоровье человека и его хо­зяйственную деятельность.

К веществам, загрязняющим водоемы и почву относят:

1) различные яды и вредные вещества — соли тяжелых ме таллов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ин гибирующие активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие жизненные процессы;

2) кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ­ ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых
системах;

3) поверхностно-активные вещества, которые в последнее время с развитием химической промышленности все чаще попада­ют в природные водоемы, образуя слой пены на поверхности.

Эти вещества очень опасны, так как часто недоступны воздейст­вию микроорганизмов и не разрушаются;

4) растворимые органические вещества, содержащие углерод
и азот, нефтепродукты, углеводы и т. д.

Данная группа веществ используется микроорганизмами в качестве субстрата и способствует их чрезмерному размножению в водоемах. В свою очередь, это приводит к увеличению расхода растворенного в воде кислорода и развитию анаэробной, гнилостной микрофлоры, что вызывает вымирание других форм жизни. В таких условиях могут развиваться микроорганизмы, опасные для здоровья человека, например сульфатредуцирующие бактерии, в результате действия которых появляется неприятный запах сероводорода и т.д.;

5) нерастворимые органические соединения — крахмал, цел­люлоза, лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих частиц поступают в водоемы и вызывают пос­ледствия, схожие с действием веществ предыдущей группы;

6) радиоактивные и другие вредные загрязнители.

Водоемы и почва представляют собой биологические системы,

способные утилизировать отходы. В почву помимо отходов сельского хозяйства (навоз, солома и др.) попадают коммунальные и промышленные отходы. Как известно, навоз, компосты и солома являются удобрениями для полей. Однако необходимо знать предельные количества внесения удобрений. Вокруг крупных жи­вотноводческих комплексов требуются большие земельные пло­щади, чтобы без ущерба для почвы утилизировать образующийся навоз. Жидкий свиной навоз перед вывозом на поле необходимо выдержать 6—8 мес., чтобы инактивировать патогенную микрофлору. При использовании отходов животноводческих ферм для удобрения полей, один из критериев — содержание азота, максимально допустимая доза которого составляет 300 кг/га. Практика показывает, что количество жидких отходов свиноферм, вносимых методом орошения за 1 год на площадь 1 га, не дол­жен превышать 250 м³ . Но на больших животноводческих ком­плексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, сле­довательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зави­сит от свойств почвы, химического и биологического состава от­ходов.

В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной фермен­тации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа ути­лизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, жи­вотных и человека вредными химическими веществами или болез­нетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые ком­поненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно от­метить, что почва хорошо задерживает фосфорные соединения, которые могут использовать растения. В среднем на 1 га земли за год можно вернуть в виде растительной массы 20—60 кг фос­фора. Способность сорбировать фосфор зависит от содержания в почве гумуса, алюминия, железа, кальция и от рН. Утилизация азота зависит от потребления его растениями, интенсивности денитрификации и степени перехода азота в аммиак, а также от количества отходов на единицу площади земли.

Скорость разрушения органических компонентов в почве различная, поэтому у некоторых веществ период полураспада длит­ся месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада из­меряется часами и минутами. Скорость разрушения зависит от свойств почвы, температуры, влажности, рН и других факторов. Так, органические вещества в почве трансформируются микроорганизмами и другими биологическими объектам, а неоргани­ческие обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве ст?