Биотехнологические процессы в решении экологических задач
Окружающая среда и биотехнология. По мере того как увеличи- вается население Земли и развивается промышленность, все более се- рьезной становится проблема защиты окружающей среды. В решении такого рода задач биотехнология играет все возрастающую роль, в ча- стности, в том, что касается разработки новых или усовершенствован- ии существующих способов переработки отходов. Новейшие процес- сы переработки необычных отходов будут основаны на использовании микроорганизмов, обладающих новыми, неизвестными ранее или ис- кусственно созданными катаболическими способностями.
Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила, был разработан в 1914 году. С тех пор он был существенно модернизирован, стал более сложным и произво- дительным и используется сегодня во всем мире для переработки сто- ков.
Также большие надежды возлагаются и на биоинженерию. Разра- ботка биодатчиков поможет осуществлять мониторинг и контролиро- вать условия среды. Биоиндикаторами называются живые организмы или их сообщества, жизненные функции которых тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оцен- ки.
Методы очистки стоков и выбросов, обезвреживания твердых от- ходов, а также вопросы биоиндикации и биотестирования, методов оценивающих состояние природной среды по реакциям живых орга- низмов будут рассмотрены более подробно в последующем в соответ- ствующих разделах специальных дисциплин: «Технология очистки воды», «Технология очистки газов», «Промышленная экология»,
«Мониторинг».
Назовем основные биотехнологические процессы, используемые
в практике природоохранных технологий.
Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. В начале XX века произошла революция в городском хозяйстве, когда был предложен метод аэробной биологиче- ской очистки сточных вод с помощью активного ила — сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывно аэрировать ее воздухом, такой способ позволяет перераба-
тывать большие объемы стоков с самыми разнообразными загрязне-
ниями — от хозяйственно-бытовых до промышленных.
Биосорбция тяжелых металлов из стоков. Обычная очистка сто- ков удаляет из них в основном органические загрязнения. Если же в стоках содержатся тяжелые металлы, такие, как медь, никель, хром,
свинец и другие, то требуются дополнительные методы очистки, на-
пример биотехнологические. Имеются определенные виды микроор- ганизмов, которые способны осаждать на себе (сорбировать) металлы, растворенные в жидкости. Концентрация металлов при этом возрастает настолько, что после тепловой обработки биосорбент можно рассмат- ривать как сырье для получения цветных металлов.
Биокомпостирование твердых отходов. Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твердых отхо-
дов. Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлага-
ющими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это по- зволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.
Метановое сбраживание твердых отходов. Еще в 1776 г. Воль- та обнаружил, что в болотном газе содержится метан. Но только значи- тельно позже была определена роль анаэробных микроорганизмов в этом процессе. С1901 г. успешно применяют анаэробное сбраживание осадка избыточного активного ила, образующегося при работе устано- вок биологической очистки сточных вод. В результате сбраживания получают газ, содержащий 65 % метана и 30 % диоксида углерода, ко- торый вполне может быть использован для отопления. Процесс проте- кает в специальных аппаратах — метантенках, где накапливающийся газ находится под некоторым давлением. Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжелых металлов, успешно используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по со- ставу, и в нем почти полностью отсутствуют болезнетворные микроор- ганизмы.
Метановое брожение применяют также и для переработки кон- центрированных жидких отходов, хотя скорость его протекания мень- ше, чем в случае аэробной биологической очистки активным илом. С середины XX века процесс анаэробного сбраживания с получением биогаза стал очень популярен применительно к отходам животновод- ческих ферм, особенно в теплых странах, таких, как Китай и Индия.
Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их
очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбиру- ются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорга- низмами.
Биодеградация нефтяных загрязнений на почве и воде. При ава- рийных разливах нефти используют биотехнологические способы вос- становления загрязненных территорий, которые обрабатывают спе- циально выращенными нефтеокисляющими микроорганизмами, внося различные добавки для их азотистого и фосфорного питания, что поз- воляет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода.
Биодеградация химических пестицидов и инсектицидов. Для борьбы с сорняками и вредителями растений часто используют хими-
ческие пестициды и инсектициды. Они действуют жестко и в короткое
время ликвидируют сорняки и вредителей на обработанном участке. Однако в дальнейшем возникают проблемы: пестициды создают хими- ческую опасность, сохраняясь на растениях или попадая в поверхност- ные природные воды. Чтобы это исключить, разработаны биопрепара- ты из специфических микроорганизмов или ферментов, позволяющих ускорить деградацию пестицидов.
Борьба с накоплением метана в шахтах. Мы часто слышим о взрывах в шахтах, вызванных нарушением условий эксплуатации. От метана в шахтах трудно освободиться: нужна очень сильная вентиля- ция, чтобы снизить концентрацию ниже взрывоопасного предела. Био- технологи предложили вносить в шахты — в отработанные штреки — суспензию микроорганизмов, способных потреблять метан. Это позво- ляет снижать концентрацию метана. Рассматривались также проекты использования метана, отсасываемого вентиляцией из шахт, для непре- рывного выращивания этих микроорганизмов, а их избыток использо- вать для получения кормового белка.
Обессеривание нефти и каменного угля. Имеются микроорга- низмы, способные переводить серу из сульфидов и меркаптанов в эле- ментную серу. На основе использования таких микроорганизмов разра- батывают технологии обессеривания угля и нефти. В результате и топ- ливо электростанций, и моторное топливо автомобилей становится бо- лее экологичным — дает меньше выбросов диоксида серы в атмосфе- ру.
Обогащение воздуха кислородом. Хотя диоксид углерода — про-
дукт дыхания многих живых существ — считается безвредным, все же
в повышенных концентрациях он оказывает неблагоприятное воздей-
ствие на животный мир и человека. Работа многих промышленных предприятий, тепловых электростанций приводит к постепенному по- вышению его концентрации в атмосфере. Следствием этого может стать глобальное потепление на Земле, связанное с так называемым
«парниковым эффектом». Это влечет за собой многие весьма неприят-
ные последствия для обитателей Земли.
Сейчас роль очистителя атмосферы от диоксида углерода играют травянистые растения и деревья, но уменьшение зеленого покрова в связи с урбанизацией подрывает сами основы существования человече- ства.
В компактной форме эти проблемы возникают при организации систем жизнеобеспечения на космических кораблях, подводных лодках
и, вообще, в замкнутых пространствах обитания людей. Для поглоще-
ния выдыхаемого диоксида углерода и восполнения убыли кислорода на таких объектах уже давно предлагалось культивирование микрово- дорослей (или цианобактерий) хлорелла, которые под действием сол-
нечного света позволяют решать эту задачу. Может быть, этот прием в
дальнейшем будут использовать и в более крупных масштабах, напри- мер для улавливания углекислоты в выбросах тепловых электростан- ций.
Биоразлагаемые полимеры. Вещи из полиэтилена, полипропиле- на и других пластмасс, в буквальном смысле слова, окружают нас по- всюду. Особенно много пластиковой упаковки, которую после исполь- зования чаще всего просто выбрасывают. И здесь ее, в принципе цен- ное, свойство — устойчивость к разложению влагой, светом, холодом
и теплом, почвенными микроорганизмами — играет отрицательную роль. Земной шар буквально переполнен использованной пласт- массовой упаковкой. Поэтому в некоторых странах, заботящихся об
экологии (США, Германии, Англии), уже действуют ограничения на
использование пластмассовой упаковки. Взамен предлагается упаковка на основе полигидроксибутирата, либо полилактата, или специальным образом обработанного крахмала, в смеси с целлюлозой. Биотехноло- гия может помочь в создании таких материалов, хотя они и будут до- роже. Выброшенные пакеты или флаконы из таких материалов при взаимодействии с почвенными микроорганизмами будут превращаться
в воду, диоксид углерода и биомассу этих самых микроорганизмов,
предохраняя планету от отходов.
Стиральные порошки с ферментами. Сейчас уже не новость это достижение биотехнологии, хотя появилось оно чуть больше 30 лет
назад. Ферменты для таких порошков (протеазы) производятся биотех-
нологическими методами.
Вермикультивирование и копрокультивирование. Многие от- ходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленнос- ти могут перерабатываться не только с помощью микроорганизмов
(биокомпостирование или метановое брожение), но и с помощью низ-
ших организмов — червей. Среди них есть очень эффективные виды
— калифорнийские красные черви, которые «перемалывают» землю с разными органическими отходами в прекрасное удобрение. Нормаль- ное состояние кладбищ также невозможно без червей. Это направление переработки отходов называют вермикультивированием. Кстати, если при этом поблизости иметь подсобное хозяйство для разведения птиц, то избыток червей вполне может служить пищей курам, гусям и про- чей птице.
Вермикультивирование чем-то напоминает разведение личинок мух (нельзя давать им превращаться в летающих мух). Известно, что мухи откладывают огромное количество яиц, которые весьма быстро растут, превращаясь в личинки мух и при этом перерабатывая всевоз- можные гнилые отходы. Показано, что личинки являются превосход- ным кормом для птиц, а при определенной обработке — также для сви- ней и пушных зверей (норок, например). Это направление называют копрокультивированием.
Хотя эти два направления, строго говоря, не подпадают под наше определение биотехнологии, все же о них стоит вспомнить, так как они могут применяться в сочетании с биокомпостированием.
Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
И почвы
Практически полным биотехнологическим производством явля- ется биологическая очистка стоков (рис. 26). Здесь представлено большое число подготовительных стадий (усреднение стоков, их ней- трализация до необходимой величины рН, очистка от механических примесей фильтрованием или отстаиванием, очистка от нефтепродук- тов в нефтеловушке, коагуляция реагентами растворенных примесей; отделение образовавшегося осадка отстаиванием). Подготовленный сток поступает на стадию биоокисления, на которой происходит изъя- тие растворенных органических веществ активным илом. Это и есть собственно биотехнологическая стадия, протекающая в аэротенках с подачей воздуха. Далее активный ил отделяется от жидкости отстаива-
нием, и очищенный сток поступает в водоем. Сгущенный активный ил частично возвращается на стадию биоокисления. Избыточное количе- ство активного ила утилизируют одним из трех способов.
Усреднение
стоков
Нейтрализация
стоков
Очистка от
механических
примесей
коагуляция
|
отстаивание
осадок
воздух биоокисление отстаивание
Осветленная
вода
флотация Активный ил
Распределение
на иловых
площадках
флотат
Метановон
брожение
Биогаз
Кормовой продукт или удобрение
Сушка активного ила
Сушка осадка удобрение
Рисунок 26 - Блок-схема биологической очистки стоков
Первый и самый неэкологичный — распределение на так назы- ваемых «иловых площадках», где он долго сушится на открытом воз- духе, занимая большие площади и распространяя вокруг запахи.
Второй способ предполагает концентрирование ила с помощью флотации. Концентрат активного ила поступает на сушку. Высушенн- ый ил используют в качестве удобрения или кормового продукта — в зависимости от его загрязненности.
И наконец, третий способ: концентрат активного ила перерабаты- вается метановым брожением в биогаз, а образовавшийся осадок вы- сушивается и также применяется как удобрение.
На рисунке 27 представлена блок-схема очистки почвы от за-
грязнений нефтью. Эта технология весьма напоминает сельскохозяй- ственную. Сначала загрязненный участок подвергают рыхлению путем вспашки. Далее в него вносят удобрение и биопрепарат (живые неф-
теокисляющие микроорганизмы). После этого начинается биокомпо- стирование, в процессе которого обработанный участок периодически взрыхляют для обеспечения доступа воздуха к микроорганизмам, про- водят дополнительные подкормки удобрениями. При этом нефтеокис- ляющие микроорганизмы размножаются и в процессе своего роста по- требляют нефтяные загрязнения, разлагая их до диоксида углерода и воды. Когда их содержание снизится до определенного уровня, прово- дят посев травяных культур, которые дополнительно восстанавливают структуру загрязненной почвы.
Рисунок 27 - Блок-схема микробиологической очистка почв от загрязнения нефтью