Экологические аспекты современной биотехнологии

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

О.В. Мосин

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты и увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы — главного источника питания, корма и сырья для перерабатывающей промышленности — уже более не позволяют развивать отечественную экономику старыми советскими методами. При этом существенная роль в этом процессе должна уделяться экологии. Но уже сегодня очевидно, что необходимо увеличивать продуктивность как агросферы, так и техносферы.

И хотя сегодня мы наблюдаем неоправданные восторги в связи с наступлением научно-технической революции и ностальгию по уходящей эпохе с ее экстенсивными методами производства. Несомненно то, что научный прогресс в сово-купности с экологическим мышлением является основой развития человеческого общества.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди ученых нет единого точного определения понятия «биотехнология». Можно сказать, что биотехнология изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биоло-гические структуры. Биотехнология позволила управлять клеточным биосин-тезом микроорганизмов, но биотехнология — понятие более широкое, чем микробный синтез, поскольку используются не только микроорганизмы, но и культуры растительных и живот-ных тканей, протопласты, клеточные ферменты и любые биологи-ческие системы, способные к биосинтезу или биоконверсии.

В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, культивирование тканей многоклеточных организмов, иммунокоррекция, манипуляция с половыми клетка-ми и др. Тесно связана с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи — создание биореакторов, аэрирующих устройств, оборудования для стерилизации питательных сред и воздуха, разработка контрольной и измерительной аппаратуры, а также мас-штабирование и моделирование биотехнологических процессов. Биотехнология также связана с такими науками, как физиология микроорганизмов, растений и животных, цитология, биохимия, гене-тика, биофизика, молекулярная биология.

Сегодня многочисленные биотехнологические процессы широко используются в отечественной пищевой промышленности. С их помощью удается увеличить продуктивность сельского хозяйства. С развитием биотехнологии поднялась на новый уровень фармацевтическая промышленность, возрастает роль биотехнологии в защите окружающей среды. Биотехноло-гия вторгается в металлургию и горнодобывающую промышлен-ность, добычу нефти, развивается новая отрасль — биогеотехнология.

Сама биотехнология возникла в процессе развития технической микробиологии. Люди пользовались одноклеточными микроорганизмами давно, даже не подозревая об их существовании, хотя таинственные процессы брожения и необъяснимая фер-ментативная активность природных субстратов привлекали вни-мание химиков еще в XVIII веке.

Например, способность дрожжей образовывать спирт в сахарсодержащих растворах знали шумеры и вавилонцы за 6 тыс. лет до н. э. Египтяне стали применять дрожжи для выпечки хлеба в четвер-том тысячелетии до н. э.

Знакомство людей с микромиром, а также осознание незаменимости микроорганизмов в саморегулирующихся механизмах биосферы стали возможны благодаря открытиям Л. Пастера. В процессе изучения микроорганизмов изменились наши пред-ставления о сущности живых организмов, о возникновении и эволюции жизни на Земле, о круговороте веществ в биосфере и о причинах возникновения инфекционных заболеваний. После открытий Л. Пастера последовали новые выдающиеся открытия, на основе которых микроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда важных продуктов. Были созданы ме-тоды профилактики и лечения живых организмов.

На Третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984 г.) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов, или эр.

Допастеровская эра Использование спиртового и молочнокислого броже;

(до 1865 г.) ния при получении пива, вина, хлебопекарных и пив;

ных дрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса

Послепастеровская эра Производство этанола, бутанола, ацетона, глицеро;

(1866—1940 гг.) ла, органических кислот и вакцин. Аэробная очистка

канализационных вод. Производство кормовых дрож-жей из углеводов

Эра антибиотиков Производство пенициллина и других антибиотиков

{1941 — 1960 гг.) путем глубинной ферментации. Культивирование рас;

тительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов

Эра управляемого биосин— Производство аминокислот с помощью микробных

теза (1961 — 1975 гг.) мутантов. Получение чистых ферментов. Промыш;

ленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Анаэробная очистка канализационных вод и получение биогаза. Производство бактериальных полисахаридов

Эра новой биотехнологии Использование генной и клеточной инженерии в це;

(после 1975 г.) лях получения агентов биосинтеза. Получение гиб;

ридов, моноклональных антител, гибридов из прото-пластов и меристемных культур. Трансплантация эм-брионов

В XX веке учёным удалось расшифровать многие тайны природы, установить биохимическую и физико-химическую сущность жизнен-ных процессов. Освоение новых биологических методов определя-ет развитие других наук. В биотехнологии наряду с микробиоло-гами, биохимиками работают вирусологи, генетики, цитологи, биофизики, электронщики, автоматчики, кибернетики.

Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения генетического материала — ДНКГлавным объектом исследований до сих пор остается живая клетка, но центральное место в биотехнологических экспериментах занимают, пожалуй, манипуляции с ДНК. Пользуясь методами гене-тической инженерии, создают искусственные, заранее запрограм-мированные генетические структуры в виде рекомбинантных молекул ДНК, осуществляют трансплантацию генов между раз-ными видами микробных клеток, а также между клетками одноклеточных и многоклеточных организмов. Пристальное внимание современных исследователей привлекают биологические мем-браны. Создана теория хемоосмотической циркуляции протонов в биологических мембранах.

Весьма многообразны биотехнологические манипуляции с клеточными структурами и протопластами. Например, в результате искус-ственного слияния лимфоцитов и меланомных клеток (разновид-ность опухоли) получены гибридомы, которые синтезируют моноклональные антитела, имеющие важное значение в иммуно-логических реакциях. Учение о моноклональных антителах — важный раздел современной биотехнологии.

В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав антител — важного фактора иммунологической си-стемы человека и животных. В 1975 г. путем гибридизации сома-тических клеток получены гибридомы, секретирующие монокло-нальные антитела.

К числу последних достижений биотехнологии можно отнести разработанные А. С. Спириным основы бесклеточного синтеза белка в протоке, создание новых генно-инженерных сортов растений и животных, клонировании животных.

Дальнейший прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизни биотехнологии. В промышленно развитых странах объем выпуска химических веществ, полученный микробным синтезом, составляет 8—10% всей химической продукции.

Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить на крупнотоннажные (этанол, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) и медикаменты, аминокислоты, гормоны и другие продукты тонкого микробного синтеза.

Биотехнологические методы широко применяют в медицине и сельском хозяйстве. Уже сейчас в производственных условиях выращивают клеточную массу женьшеня, биотехнологические методы применяют при создании новых сортов культурных и декоративных растений, при оздоровлении картофеля и других растений.

Генетические манипуляции, которые проводят в настоящее время с половыми клетками и эмбрионами животных, позволяют ускорить размножение высокопродуктивных животных для их дальнейшего клонирования.

МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЕЕ УЛУЧШЕНИИ.

Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека. Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выброса-ми, водоемы — стоками, которые содержат большое количество вредных, а иногда и сильно ядовитых веществ, от которых стра-дают фауна и флора. Эти вещества через растения и животных поступают в пищу человека. Химизация сельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению почвы, водоемов, воздуха, пищевых продуктов. В некоторых регионах и городах планеты создалась напряженная экологическая ситуация.

Вторая половина ушедшего столетия характеризовалась бурным развитием техники, индустриализацией народного хозяйства, интенсификацией производства пищевых продуктов для обеспечения питанием непрерывно увеличивающегося населения плане-ты. В 2000 году населе-ние земного шара составляло 7 млрд против 5 млрд в 1986 г. Отмечается тенденция к росту городского населения. Такая демографическая ситуация отрицательно влияет на экологию.

Рост населения Земли требует увеличения ресурсов продовольствия. В период так называемой «зеленой революции» (1956— 1970 гг.) в мире было достигнуто среднегодовое увеличение продуктов питания на 2,2% в результате селекции высокоуро-жайных сортов сельскохозяйственных растений, широкого приме-нения минеральных удобрений, гербицидов, пестицидов, иррига-ции земель, механизации.

Стремление увеличить ресурсы питания приводит к быстрому ухудшению экологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства. Происходят истощение почвы (уменьшение гумуса), ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами, загрязнение водоемов, продуктов питания. В ре-зультате недостатка в почве органических удобрений в последнее время наблюдалось существенное снижение гумуса.

Потери гумуса в процессах минерализации при культивировании различ-ных культур приведены ниже.

Овощные культуры и картофель

Зерновые

Травы

однолетние

многолетние

Потери гумуса, кг/га в год

1300—1800 700—900

500—700 700—900

Некоторые фермерские хозяйства, издавна широко применяют в качестве органического удобрения навоз. В среднем 1 т навоза дает 40—50 кг гумуса. Ежегодно на 1 га земли вносят 10—20 т навоза, что позволяет возобновить запасы гумуса.

Необходимо отметить, что на фоне недостатка гумуса в почвах снижается эффективность применения минеральных удобре-ний. В 1948 г. в Чехословакии 1 кг минеральных удобрений обеспечивал получение 100 кг пшеницы или 162 кг зерна кукуру-зы. Двадцать лет спустя (1968 г.) то же количество минеральных удобрений дали лишь 26 кг пшеницы или 34 кг кукурузы (Малек, 1978).

Эффективность использования 1 т навоза видна из приведенных ниже данных.

Пшеница озимая

яровая Рожь

Многолетние травы для сена Зеленая масса для силосования

Сахарная свекла

Картофель

Прибавка урожая, кг

36 153 182 101

Производство минеральных удобрений связано с большим потреблением энергии. Снижение эффективности минеральных удобрений наблюдается, в частности, в западных странах. Об этом свидетельствуют средние данные за 1940 и 1985 гг. (табл. 1). В 1940 г. почвы содержали достаточно гу-муса. Как видно из таблицы, увеличение количества вносимых в почву минеральных удобрений в 11,5 раза дало рост урожая зер-новых всего на 13,5%. Одновременно применение минеральных удобрений на фоне низкого содержания в почве органических веществ вызывает большой унос минеральных веществ с водой, что ухудшает экологическую ситуацию в регионе.

Создание больших животноводческих комплексов также привело к загрязнению атмосферы веществами с неприятным запахом и патогенными микроорганизмами, почвы — сорняками, водоемов — патогенными микроорганизмами и гельминтами. В последнее время много пишется о загрязнении ядохимикатами почвы, водоемов и сельскохозяйственной продукции. Российское овощеводство и садоводство имеют в этом смысле очень горький опыт. Но это касается не только России. Развитые сельскохозяйственные страны мира допускают увеличение содержания нитратов в овощах до 900 мг/кг при норме 300 мг/кг, а во фруктах, до 1000 мг/кг и выше. Сами по себе нитраты малотоксичны, но в орга-низме они преобразуются в нитриты, которые могут участвовать в образовании ядовитых веществ — нитрозаминов. Присутствие в среде нитритов сильно замедляет рост хлебопекарных дрож-жей, поэтому регулярно определяют присутствие нитритов. Хуже дело обстоит с контролем пищевых продуктов, в частности пло-дов и овощей. Необходимо отметить, что при больших нагрузках минерального азота в процессах денитрификации возможно образование не только азота, но и его оксида (N₂O), который подобно фреону может отрицательно влиять на озоновый слой, окружающий планету. Таким образом, чрезмерное использование минеральных удобрений в земледелии может вызвать глобальные отрицательные последствия.

Интенсификация сельскохозяйственного производства связана и с ирригацией. К началу XXI века в мире ожидается увеличение расхода воды на 200—300%, главным образом для нужд ирригации. Это потребует дополнительные источники пресной воды, а также увеличит угрозу загрязнения водоемов.

Индустриализация народного хозяйства связана с увеличением потребления энергии, превращением сельскохозяйственных угодий в дороги, строительные площадки, созданием крупных заводов, выбрасывающих в атмосферу и водоемы вредные ве-щества. Тревогу вызывает также усиление вырубки леса. Умень-шение лесных массивов отрицательно влияет на водный режим, приводит к изменению ландшафта, уничтожению многих видов фауны и флоры, особенно в субтропических зонах, ухудшает газообмен в атмосфере и очистку воздуха. Загрязнение атмосфе-ры диоксидом серы приводит к «кислотным дождям», атомная энергия опасна радиоактивным заражением среды в случае ава-рий. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением сельскохозяйственных угодий, уменьшением рыбных ресурсов, ухудшением самоочищения воды и рядом других последствий.

Российским учёным хорошо известно, что крупнейшие реки Волга, Днепр, Обь, Иртыш и озера Байкал, Севан, Ладожское и другие страдают от сброса сточных вод промышленных предприятий и агропромышленного комплекса.

Серьёзная экологическая ситуация складывается и на биохимических заводах, производящих кор-мовые дрожжи на основе парафинов нефти. Здоровью чело-века угрожают не только стоки, но и атмосферный воздух, в ко-тором увеличено содержание дрожжей из рода Candida. Дейтельность таких заводов сейчас в основном, приостановлена.

В крупных городах большую экологическую проблему представляют твердые и жидкие отходы. Ежедневно каждый город-ской житель в среднем выбрасывает 2—3 кг различных отходов, половина которых — бумага и упаковочные материалы. Только в Москве на свалку ежегодно вывозят 8—10 млн т отходов, в том числе 5 млн т коммунальных. Для размещения этой массы от-ходов в Подмосковье имеется сотни свалок; их площадь ежегодно увеличивается на 40 га, так как вокруг свалки создают санитарную зону шириной 500 м. Общая площадь, занятая свалками, в Подмосковье ежегодно увеличивается на 1000 га. На улицах Нью-Йорка ежегодна собирают 8 млн т отходов, Токио — 4,5 млн т, Лондона — 3 млн т. Во многих приморских городах коммуналь-ные отходы загружают в контейнеры и сбрасывают в море.

Большую опасность, чем твердые отходы, для экологии представляют жидкие стоки. Если в начале столетия каждый горо-жанин для индивидуальных нужд потреблял в сутки 15—20 л воды, то сегодня в индустриально развитых странах эта цифра возросла до 350—400 л. Если учесть еще индустриальный расход воды, то на одного человека суточный расход воды составляет около 4 м³. В ФРГ ежегодно расходуют около 30 км³ воды, из них 7 км³ —- для инди-видуальных нужд и 24 км³ — для промышленности. Всего же население планеты ежегодно расходует около 6000 км³ воды. Эта вода в виде стоков поступит обратно в биосферу. Подсчитано, что за последние 100 лет промышлен-ность выбросила в окружающую среду более 1,5 млн т мышьяка, 1,0 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, 600 тыс. т цинка, 125 тыс. т ртути и миллионы тонн других веществ.

В последнее время в связи с химизацией сельского хозяйства в водоемы и реки попадают в больших количествах пестициды, гер-бициды, дефолианты, антибиотики, дезинфицирующие средства, азотистые и фосфорные соединения. Домохозяйки и предприятия после мойки, стирки и химической обработки одежды со стоками сбрасывают много поверхностно-активных веществ. Энергетика и транспорт загрязняют среду нефтепродуктами. Все это самым серьезным образом угрожает человеку.

Экологическую ситуацию, сложившуюся в мире, можно характеризовать так.

Последствия

Сельское хозяйство Эрозия почвы, ее уплотнение, засорение химиката-

ми, сорняками, уменьшение гумуса

Водоемы Засорение химикатами, уменьшение рыбных запасов,

изменение водной фауны и флоры

Биосфера Исчезновение к 2000 г. 15—20% видов животных и

растений главным образом в результате вырубки

тропических лесов и попадания химикатов в водоемы

Человек Болезни, генетические сдвиги, трудности в хозяй-ственной

деятельности

Атмосфера, климат Засорение атмосферы газами, SO₂, NaO, CO₂, CO;

запыление; кислотные дожди (рН 4,5—5,7); разру-шение слоя озона от действия фреона, N₂O, повы-шенная радиация УФ-лучей

Суммируя сказанное и другие негативные последствия антропогенного действия человека, экологи обоснованно предупреж-дают общественность и правительства о необходимости принятия неотложных мер по защите окружающей среды.

Характеристика стоков перерабатывающей промышленности

Состав промышленных сточных вод сильно различается и зависит от характера производства (табл. 2—4).

Например, при первичной обработке на молочных заводах из 1 т молока образуется около 40 кг стоков. Содержание сухого вещества в этих стоках обычно не превышает 1%, рН 4,8—6,8, ХПК 1240—7800 мг/л. При дальнейшей переработке молока из 1 кг молока образуется от 0,1 до 6 кг сточных вод в зависимости от вида получаемого продукта. Как видно из табл. 2, степень загрязнения стоков при производстве одного и того же продукта сильно варьирует, что свидетельствует о нестандартности технологического про-цесса.

На мясокомбинатах образуются стоки, сильно загрязненные кровью, жиром, экскрементами, частицами мяса, шерстью, различными солями. При получении 1 т мяса образуется около 30 кг крови, которую необходимо максимально использовать, так как кровь имеет ХПК свыше 200 000 мг/л. При влажной горячей обработке мяса образуется сточная жидкость с ВПК около 30 000 мг/л.

Таблица .2. Сточные воды, образуемые при производстве молочной продукции

Таблица 3. Характеристика стоков мясокомбинатов

Таблица 4. Характеристика стоков рыбных заводов (Loehr, 1984)

Обработка рыбы

влажная

сухая

Приготовление лососины Обработка крабов Приготовление селедки Приготовление рыбных ма-ринадов Производство рыбной муки

600—1200

100—1100

173—3900

320—1000

3200—5800

6900—14 000

46 000—490 000

150—960

30—230

88—7400

135—660

1150—5300

1500—4600

7600—21 500

21 85

Из табл. 3 видно, что показатели стоков мясокомбинатов сильно варьируют. При переработке на мясо птицы до 30 % первоначальной массы переходит в отходы. Сухие отходы —- перья — утилизируют, в том числе их используют для получения кормовых добавок.

Сточные воды на предприятиях, перерабатывающих рыбу, сильно различаются по содержанию сухого вещества и ВПК. В среднем при переработке 1 т рыбы расходуется около 5 т воды, а ВПК стоков составляет обычно от 10³ до 10⁴ мг/л. Однако при производстве рыбной муки ВПК стоков достигает 300 000 мг/л.

Прежде чем подвергнуть стоки после обработки рыбы био-логической очистке, необходимо изыскать максимальные возмож-ности получения из них полезных продуктов.

Сильно загрязненными являются также стоки крахмалопаточных, сахарных заводов и бродильных производств. Эти стоки подвергают, как правило, биотехнологической обработке с целью обезвреживания.

Совершенно другая ситуация с отходами сельского и лесного хозяйства. При производстве зерна в среднем на 1 т приходится 1 т соломы. Солома используется как корм, подстилочный мате-риал, сырье для компостов, топливо, а также как сырье для получения бумаги, кормовых дрожжей и пр. Отходы сельского и лесного хозяйства необходимо рассматривать как перспективное возобновляемое сырье для биотехнологической промышлен-ности.

Роль биотехнологии в защите и оздоровлении

биосферы

Биотехнология должна помочь сельскому хозяйству получить продукты питания с минимальным применением средств химизации. На основе генетической и клеточной инженерии необходимо создать высокоурожайные, болезнестойкие сорта культурных рас-тений, что позволит исключить ядохимикаты. Важное место здесь отводится клеточной инженерии и меристемной технологии. На основе достижений современной генетики и биотехнологии пред-ставляется возможным изменить потребительские свойства сель-скохозяйственных продуктов с тем, чтобы отпала необходимость применять для корма животных и птицы различные добавки хи-мического или микробного синтеза (кормовые дрожжи, лизин, витамины и др.), производство которых связано с определенной экологической опасностью. В качестве примера можно привести создание высоколизинового сорта ячменя в Дании (Мунск, 1995). Этот ячмень содержит 6 г/кг лизина (против 3,8 г/кг в обычном ячмене).

Следует расширить производство бактериальных удобрений (особенно нитрагина), биологических средств борьбы с болезнями растений и их вредителями, биологических консервантов кормов.

Для повышения плодородия почвы необходимо применять органические удобрения, компосты и обезвреженные путем метано-вого брожения жидкие отходы животноводческих ферм.

Биотехнология должна создать рациональные и безвредные для человека и среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в более ценные товарные формы. То же касается химического сырья, которое можно превращать в биологически безвредные формы.

Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке раз-личных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.

Достижения современной биологии дают новые эффективные средства индикации биологического загрязнения окружающей среды. Необходимо отметить методы, основанные на использова-нии моноклинальных антител, или иммуноферментные, а также электроды с иммобилизованными ферментами. Посредниками для индикации определенных соединений в воде или почве могут быть различные биологические объекты, которые аккумулируют эти вещества. Например, в печени рыбы накапливаются пестициды, тяжелые металлы, сбрасываемые в водоем, где обитает такой посредник.

Предприятия микробиологической промышленности по действующим в России правилам должны обеспечить такую обработку стоков, чтобы они отвечали следующим требованиям.

Содержание, мг/л взвешенных частиц азота хлоридов, мг/л

До 0,25 2,0

300,0

Назовем основные биотехнологические методы, которые могут быть применены для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для обеспечения экологически чистого производства на самих биотехнологических предприятиях (табл. 5).

Таблица 5. Биотехнологические методы зашиты окружающей среды

Народное хозяйство

I

Здравоохранение и ве-теринария Сельское хозяйство Создание безотходных технологических процес-сов Создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и жи-вотных Создание растений, ус-тойчивых к болезням и вредителям Биологические методы Сельское и лесное хо-борьбы с болезнями и зяйство вредителями растений Сельское хозяйство Бактериальные удобре-ния и стимуляторы роста растений То же Создание культурных ра-стений, способных фикси-ровать атмосферный азот без участия микроорга-низмов

Получение из отходов полез-ных продуктов или обезвре-живание их Средства для диагностики, иммуностимуляторы, вакци-ны, антибиотики и др.

Получение методами генети-ческой и клеточной инжене-рии культурных растений, при возделывании которых отпадает необходимость ис-пользования ядохимикатов как средств борьбы против вредителей и болезней Специальные микробиологи-ческие или другие биологи-ческие препараты селектив-но уничтожают вредных на-секомых, грызунов или воз-будителей болезней Усиление биологической фиксации атмосферного азо-та, мобилизации фосфора; ускорение роста органов ра-стений; снижение потребно-сти в минеральных удобре-ниях Перенос методами генетиче-ской инженерии в геном ра-стений генов от микроорга-низмов, определяющих фик-сацию Аэробная биологическая очистка стоков Коммунальные и произ-водственные сточные во-ды То же Анаэробная биологиче-ская очистка стоков В аэротенках спонтанная микрофлора в присутствии кислорода утилизирует орга-нические вещества стоков и накапливается биомасса — активный ил. Содержание СВ снижается на 50% В метантенках анаэробная микрофлора утилизирует ор-ганические вещества, в том числе активного ила, полу-ченного после аэробной об-работки с образованием био-газа (95% от переработан-ного органического вещест-ва) Селективная утилизация Промышленные стоки индивидуальных химиче-ских соединений стоков Управляемое компостироСельское хозяйство, го-вание твердых отходов родские свалки Детоксикация почвы от Почва пестицидов и других хи-мических загрязнений Специально адаптированные культуры микроорганизмов обычно в иммобилизованном виде утилизируют опреде-ленные вредные вещества (фенол, кислоты и др.) При аэрации твердых отхо-дов ускоренно происходит микробная деструкция части компонентов субстрата с об-разованием компоста Промыванием почвы и мик-робиологической обработкой промывных вод достигается утилизация вредных соеди-нений, накапливающихся в почве при химизации сель-скохозяйственного производ-ства Биосорбция металлов Сточные воды Диагностика степени заСточные воды, почва,

грязнения среды воздух В специальных биофильтрах микроорганизмы селективно сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том числе радиоактивные При помощи моноклональ-ных антител или иммунофер-ментного анализа опреде-ляют присутствие вирусов и бактерий. При помощи фер-ментов контролируют при-сутствие в среде определен-ных 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 соедине-ний. Примером может быть окисление сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillus denitrificans, иммобилизованными в геле альгината. Процесс происходит в анаэробном биофильтре. В гель включают также СаСОэ для поддержания буферности и ионы Са²⁺ в качестве структури-рующего фактора в гранулах альгината. Такая система обеспечи-вает 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 углеводо-родов 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 организ-мов, а также процесс биологического самоочищения нарушается. Под влиянием чужеродных вредных веществ нарушается уста-новившееся равновесие, возникают нежелательные изменения, отрицательно воздействующие на здоровье человека и его хо-зяйственную деятельность.

К веществам, загрязняющим водоемы и почву относят:

различные яды и вредные вещества — соли тяжелых металлов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ингибирующие активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие жизненные процессы;

кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ-ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых

системах;

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

Эти вещества очень опасны, так как часто недоступны воздейст-вию 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, цел-люлоза, лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих частиц поступают в водоемы и вызывают пос-ледствия, 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 жи-вотноводческих комплексов требуются большие земельные пло-щади, 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 дол-жен превышать 250 м³. Но на больших животноводческих ком-плексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, сле-довательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зави-сит от свойств почвы, химического и биологического состава от-ходов.

В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной фермен-тации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа ути-лизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, жи-вотных и человека вредными химическими веществами или болез-нетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые ком-поненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно от-метить, 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 фос-фора. 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 длит-ся месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада из-меряется 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 неоргани-ческие обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве строго лимитируется. По данным Р. Ц. Лоера (R. C. Loehr, 1984) в почву можно внести (в кг/га): цинк не более 1000, медь и никель не более 500, а кад-мий не более 20. Вносить металлы можно в почвы с высокой катионообменной способностью; в почвы с низкой катионообменной спо-собностью допустимые количества цинка, меди, никеля и кадмия соответственно 250, 125, 125 и 5 кг/га.

В заключение можно сказать, что использовать почву для утилизации отходов можно и необходимо, но это надо делать при постоянном строгом контроле за процессами усвоения всех компонентов.

Выбор оборудования и метода очистки сточных вод зависит от характера самого загрязнения. Твердые плавающие предметы отделяют на ситах, жиры и масла — фильтрацией через специальные фильтры. Осаждение можно осуществлять в ямах с досками, расположенными в верхнем слое воды, перпендикулярно направлению потока воды. Доски должны находиться над уровнем во-ды. В таких ямах на дно оседают тяжелые твердые предметы. Чтобы их оседание было полным, размеры ямы должны быть подобраны в соответствии с размерами осаждаемых частиц и ско-ростью потока воды. Для обеспечения периодического удаления осадка необходимо устраивать резервные ямы.

При рециркуляции воды или для временного замедления биологических процессов сточные воды иногда обрабатывают хлором или хлорной известью. Химическая очистка сточных вод осу-ществляется путем регуляции рН и осаждения коллоидных ве-ществ электролитами {чаще всего солями железа или алюми-ния), поликатионитами, флокулянтами. Эти методы обычно комбинируют с биологическими методами очистки: обработкой воды в аэробных условиях активным илом или анаэробной фермента-цией.

Аэробные системы очистки стоков

В стоках, загрязненных органическими веществами, в присутствии кислорода интенсивно развивается аэробная микрофлора. Возникают очень сложные ассоциации, образующие так называе-мый активный ил, куда входят различные бактерии и простей-шие, находящиеся в сложных трофических взаимоотношениях. При интенсивной аэрации среды и сбалансированных соотно-шениях биогенных элементов основную массу ила образуют бак-терии. При этом очень важно обеспечить седиментационные свойства ила, т. е. образование флокул, которые задерживались бы в аэротенке и оседали при выходе из него. Это технологически облегчает воз-вращение флокул в аэротенк, а также осаждение в отстойниках. Флокулы ила имеют размеры до 150 мкм и различную форму.

На практике можно считать, что из общей массы утилизированных органических веществ образуется 50% микробной био-массы, т. е. половина органических веществ перегазируется в СО₂. Чтобы превратить в газообразные соединения активный ил, образовавшийся при аэробной очистке стоков, обычно в сис-тему очистных сооружений включают стадию анаэробного мета-нового сбраживания. При этом 95 % СВ ила превращается в биогаз.

Чтобы обеспечить в аэротенках интенсивное образование ила и утилизацию органических веществ стоков, важно правильно определить скорость потребления кислорода, что прямо связано со скоростью утилизации органических веществ (u,_s) и скоростью накопления активного ила (ц_т) согласно уравнениям:

DS/dt = X = /Y_s

где _s — удельная скорость роста; Y_s — выход биомассы из суб-страта (экономический коэффициент), г/л.

Скорость массопередачи кислорода, как известно, характери-зуется уравнением:

M = K (C^* — C_l)

где К — объемный коэффициент массопередачи кислорода, С*, С_l — равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.

На практике для очистки стоков используют различные технические системы. Если сточные воды не сильно загрязнены, для очистки можно использовать окисление на капельных или биологических фильтрах. При этом предварительно очищенную от механических примесей и жиров жидкость пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или крупнозернистого (0,5—5 см) полимерного материала (полистирола или полипро-пилена) толщиной 0,9 — 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости исполь-зуют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы на-чинают эффективно окислять органические вещества сточных вод. БПКз их равен 500 мг/л. Пропуская через биологические фильтры промышленные сточные воды со скоростью 1000— 1200 л/м³ в сутки, добиваются снижения БПКб до 10 мг/л. Воз-дух можно пропускать снизу вверх и наоборот. Подача воздуха должна быть около 0,6 м³/мин на 1 м² поверхности фильтра.

При работе с биологическим фильтром надо следить за составом сточных вод, не допускать перегрузку фильтра и предотвра-щать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и не-растворимым остатком. В холодное время года такие системы очистки снижают или совсем теряют свою эффективность, так как невозможно регулировать температуру воды.

На сезонных предприятиях, например на сахарных заводах, для аэробной очистки вод используют биологические пруды — систему прудов глубиной 0,6—1,2 м. Одновременно они служат водохранилищами. В прудах нельзя допускать протекания анаэ-робных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водорос-ли, весьма благоприятно влияющие на очистку воды. По окончании сезона работ воду спускают, а ил используют в качестве удобрения.

Способы очистки сточных вод базируются на микрофлоре, способной активно перерабатывать загрязнения. Для деятельности микроорганизмов кроме органических питательных веществ необходим кислород и в небольшом количестве биогенные вещества в виде азоти фосфорсодержащих веществ.

Рис. 2. Схема системы аэробной очистки промышленных стоков: / — усреднитель, 2 — отстойник, 3 — аэротенк, 4 — регенератор ила, 5 — отстойник

ила, 6 — уплотнитель ила

Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод

Коридорный

Работает по принципу вы-теснения. Малоинтенсив-ные; открытые

Выход

***

Системы Кессенера

Поверхностный аэратор с Стоки ограниченной глубиной; открытый. Массообмен до 1,8 кг

_О2г на 1 кВт-ч из-расходованной электро-энергии Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; от-крытый. Массообмен до 2,3 кг O₂ на 1 кВт-ч Ч

U/4J"

Пневматический с кеИнтенсивная аэрация

рамическими воздухе- (требуется компрессор);

распределителями открытый

Продолжение

Колонный, башенный Низкая турбидизация сре;

или эрлифтный ды (требуется компрес;

сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энерго-затраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ Инжекционный с реИнтенсивная аэрация циркуляцией ила и (требуется компрессор); сжиганием органических веществ

Воздух

Воздух

В биологических фильтрах бактерии находятся в неподвижном состоянии в слизистой пленке, покрывающей крупно-зернистую поверхность наполнителя. Очищаемая вода медленно капает сверху, а в щели между гранулами поступает воздух естественным путем или принудительно (аэрация). Мощность биологических фильтров зависит от площади поверхности напол-нителя.

В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Микроорганизмы свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Концентрация мик-роорганизмов и одноклеточных растений должна быть не слиш-ком высока, иначе на дне прудов появится дополнительный слой осадка, анаэробные процессы гниения начнут преобладать над аэробными, и произойдет вторичное загрязнение воды.

Сейчас у нас и за рубежом широко распространены интенсивные методы очистки сточных вод, когда в водный бассейн вводят большие количества воздуха и непрерывно перемешивают воду вместе с бактериальным илом.

Примеры интенсивной очистки — система аэрируемых прудов, в которые воздух подают при помощи специальных механических аэраторов, и аэротенки. Последние представляют собой же-лезобетонный или металлический резервуар, в котором непре-рывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил, который накапливается в больших количествах.

На промышленных предприятиях, в том числе относящихся к микробиологической промышленности, в состав очистных сооружений обычно входят следующие узлы (рис. 2): усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод; отстойник для осаждения взвешенных веществ; аэротенк или биофильтр, в котором осуществляется собственно биодеградация органических соединений; регенератор, в котором осуществляется восстановление активно-сти ила; отстойник активного ила.

Наиболее крупномасштабной отраслью российской биотехнологии традиционно является дрожжевая промышленность, поэтому экологи-чески важное значение имеет эффективная очистка стоков дрож-жевых заводов. В стоках гидролизно-дрожжевых заводов повы-шена концентрация фурфурола (до 50 мг/л); в стоках заводов по производству БВК из парафинов повышена концентрация углеводородов до 600 мг/л. БПК стоков микробиологической промышленности достигает 3000 мг/л, содержание взвешенных веществ— 1000 мг/л; азота — 250, фосфора (Р₂О₅] —50 мг/л.

Скорость процесса биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила в 1 л объема (обычно от 4 до 10 г/л), а также от массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. Массообмен в аэротенках зависит от системы аэрации, а гидродинамика — от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зо-нах аэротенка. Аэротенки, как любые химические и биотехнологи-ческие реакторы, можно условно разделить на аппараты вытес-нения и полного смешивания. К аппаратам вытеснения относятся аэротенки коридорного типа. В них происходит достаточно глу-бокая деструкция органических веществ. Процесс можно регули-ровать путем подачи субстрата в различные точки аппарата. Недостаток аэротенков вытеснения — чувствительность системы к колебаниям нагрузки. Аэротенки полного смешивания обычно используют для очистки стоков с ВПК до 3000 мг/л.

Очистку стоков желательно организовать так, чтобы их можно было использовать на производстве повторно в качестве технической воды. Однако описанная схема этого не обеспечивает, и требуется дополнительно устраивать биологические пруды, населенные водорослями и фауной. Данную проблему можно ре-шить также путем анаэробной детоксикации отдельных соедине-ний.

Активный ил после отстойника имеет влажность 95—99%, поэтому его обезвоживание на полях фильтрации малоэффектив-но. Активный ил перед фильтрацией рекомендуется обработать флокулянтами, что позволяет заметно уменьшить объем ила и улучшает процесс фильтрации. Финская фирма «Тампелла» рекомендует использовать специальные шнековые прессы «Тасстер», которые уплотняют массу ила до 17—20% СВ. Актив-ный ил в натуральном виде или после обработки можно ис-пользовать для удобрения лесов, а в ограниченных количествах—для удобрения полей. Однако более рационально ил перерабатывать в биогаз.

В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О₂ на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.

В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м³/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).

Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населе-нием около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550 000 м³/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биоло-гической системы очистки стоков в сутки требуется 72 000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.

Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха — поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85%, при этом производительность составляет 25 м³/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3—4 кг О₂ на 1 кВт.

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работаю-щих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90 000 м³/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогре-вом.