Современные биотехнологии в охране окружающей среды

1. Биотехнология в охране окружающей среды

В последние годы в экологической науке все больший интерес проявляется к биотехнологическим процессам, основанным на создании необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов.

Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации.

Биотехнология нашла широкое применение в охране окружающей среды, в частности, при решении следующих прикладных вопросов:

§ утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

§ биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

§ микробном восстановлении загрязненных почв, получении микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

§ компостировании (биологическом окислении) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.);

§ создании биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.

2. Очистка сточных вод

Биологическая очистка — применение метода предварительной анаэробной подготовки сточных вод; использование искусственных носителей биомассы; широкое применение биосорбционных методов; регулирование соотношения групп микроорганизмов; применение высшей водной растительности (эйхорния водная или водяной гиацинт, пистия, аир и пр.) в качестве самостоятельного фитореактора для очистки сточных вод сельскохозяйственных комплексов с получением биомассы и с использованием ее на корм скоту или в производстве биогаза; использование симбиотического альгобактериального сообщества (водоросли + бактерии) в очистке и доочистке сточных вод с искусственным освещением в темный период суток интенсивностью 120 лк/м.

Среди организационно-технических мероприятий, которые способствуют предотвращению истощения водных ресурсов и улучшению качества поверхностных и подземных вод, особенно важным является очистка сточных вод.

Биохимические методы очистки основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов-минерализаторов, которые, размножаясь, перерабатывают и тем самым преобразуют сложные органические соединения в простые, безвредные минеральные вещества. Таким образом, удается практически полностью освободиться от органических загрязнителей, остающихся в воде после механической очистки. Сооружения для биологической или биохимической очистки сточных вод могут быть разделены на два основных типа. Сооружения, в которых биологическая очистка происходит в условиях, близких к естественным (биологические пруды, поля фильтрации, поля орошения), и сооружения, в которых очистка стоков осуществляется в искусственно созданных условиях (биологические фильтры, аэротенки — специальные емкости).

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биохимического окисления. Именно они служат действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод участвуют все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки — огромные резервуары из железобетона. Очищающее начало здесь — активный ил из бактерий и микроскопических животных (Рис. 1.). Все эти живые существа бурно развиваются, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в аэротенки с потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические соединения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Рис. 1. Очистка активным илом Биологический метод дает хорошие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Его применяют также и для очистки отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производства искусственного волокна.

Многие промышленные центры перешли на комплексную очистку воды. Очень хорошим примером служит г. Тольятти с его 500-тысячным населением и высокоразвитой индустрией. Здесь действует 380 сооружений биологической очистки. В этом крупном промышленном центре добились такого положения, что в Волгу и водохранилище не сбрасывается ни одного литра использованной промышленными предприятиями и коммунальным хозяйством воды без предварительной биологической очистки.

3. Охрана лесов от вредителей

Лес, который постоянно обрабатывается химическими веществами, теряет свою естественную сопротивляемость к заболеваниям и паразитам. Такой лес чаще страдает от вредителей.

Биологический метод основан на уничтожении вредителей их естественными врагами. Для этого метода используют хищных и паразитических насекомых (насекомых-энтомофагов), хищных клещей и нематод, болезнетворные микроорганизмы (вирусы, грибы, бактерии), птиц, земноводных, пресмыкающихся и зверей.

С точки зрения охраны природы биологические методы перспективны и заслуживают наибольшего внимания. Однако их успешное применение требует хорошего знания межвидовых и внутривидовых взаимоотношений в биоценозах и экологических особенностей всех компонентов.

Хорошо разработаны методы использования насекомых энтомофагов — жужелиц, стафилин, божьих коровок, чернотелок, стрекоз, хищных клопов, муравьев и др. В очагах заражения создают высокую концентрацию энтомофагов, обеспечивая им благоприятные условия для размножения, или выпускают насекомых, выращенных в лабораториях.

Среди энтомофагов особо следует отметить рыжих лесных муравьев (Formica rufa), уничтожающих огромное количество вредителей. Муравьи крупных муравейников за сезон уничтожают от 3 до 8 млн. насекомых-вредителей, защищая около 1 га леса.

Широкое распространение получило использование бактерий. В качестве бактериальных препаратов у нас применяют энтобактерин и дендробациллин. Первый основан на бактериях, выделенных из гусениц пчелиной огневки; препарат поражает многих вредителей. Дендробациллин готовят из споровой культуры, полученной из гусениц сибирского шелкопряда; он предназначен для борьбы с этим вредителем. И тот и другой препараты применяют в виде сухого порошка.

Для борьбы с вредителями лесных растений используют насекомоядных птиц. Поедая насекомых, они приносят значительную пользу, которая особенно заметна в годы массового размножения вредителей. Птицы концентрируются в очагах массового размножения насекомых, уничтожая яйцекладки, личинок, куколок и взрослых особей.

Биологический метод борьбы с вредителями дешев, безвреден и эффективен. Его следует сочетать с другими методами, чтобы функционировала единая система защиты лесов.

4. Защита воздуха в городах

биотехнология микроорганизм экологический охрана Большое значение для защиты атмосферного воздуха имеют мероприятия по озеленению городов и пригородных зон. Известно, что зеленые насаждения — «легкие» города. Они очищают воздух от вредных веществ, пыли, газов, снижают шум в жилых кварталах, повышают влажность воздуха в жаркие дни. Один гектар зеленых насаждений за год очищает 10 млн. м³ воздуха, а за час поглощает 8 кг углекислого газа, которые выдыхают за это время 200 человек. Газозащитный эффект зеленых насаждений зависит от характера посадки, видового состава деревьев и кустарников, времени года.

На каждого городского жителя России приходится более 170 м² зеленых насаждений, в Москве — 53 м².

Состояние воздушной среды крупных и средних городов во многом обусловлено наличием пригородной зеленой зоны, занятой преимущественно лесами, лесопарками и другими зелеными насаждениями.

1. Константинов В. М. Охрана природы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2000 — 240 с.

2. Маричиненко А. В. Экология: Учебное пособие. — 2-е изд. испр. и доп. — М.: Издательство-торгая корпорация «Дашков и К^о», 2007 — 328 с.

3. Экология: учеб./ Л. В. Передельский, В. И. Коробкин, О. Е. Приходченко. — М.: Проспект, 2008 — 512 с.