Экологическая биотехнология (курсовая работа)

Экологическая биотехнология

Введение
1. Актуальность проблемы и направления её решения;
2. Методы утилизации твёрдых отходов;
3. Методы биологической очистки сточных вод;
4. Методы биологической очистки газовоздушных выбросов;
5. Ксенобиотики и их биодеградация.
Заключение
Список литературы.

Экологическая биотехнология. Введение
Темой данного курсового проекта является экологическая биотехнология. Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине позапрошлого 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. Несомненно то, что научный прогресс в совокупности с экологическим мышлением является основой развития человеческого общества.

Цель: Изучить экологические аспекты современной биотехнологии.

В рамках поставленной цели можно выделить следующие задачи:
1) Изучить актуальность проблемы и направления её решения;
2) Изучить методы утилизации твёрдых отходов;
3) Изучить методы биологической очистки сточных вод;
4) Изучить методы биологической очистки газовоздушных выбросов;
5) Изучить биодеградацию ксенобиотиков.

Экологическая биотехнология. Актуальность проблемы и направления её решения.
В течение последних десятилетий понятие экология постоянно используется средствами массовой информации и встречается, как правило, при описании загрязнения окружающей среды и другого рода антропогенных воздействий на биосферу. Таким образом, понятие экология ассоциируется с определенными нарушениями, которые следует предотвратить.
Экология — наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой.[1] Существует деление этой дисциплины на нормальную и патологическую экологию.
Нормальная экология исследует взаимоотношения организмов и среды их обитания в естественных условиях.
Патологическая экология призвана изучать факторы, обусловленные антропогенной деятельностью, а также их влияние на сложившиеся природные отношения организмов со средой и перспективу этих отношений.

Как известно, биосфера (область распространения жизни на нашей планете) охватывает литосферу, гидросферу и атмосферу. Для человека окружающая среда фактически равнозначна биосфере, но данную аналогию нельзя экстраполировать на все живые организмы на Земле. Проблемы патологической экологии, сосредоточены все же на биосфере, где они становятся в настоящее время все более ощутимы, что дает даже повод говорить не только об экологической опасности, но и о грозящей экологической катастрофе.
Человек одновременно является высшей формой жизни и природной силой, которая преобразует окружающую среду (биосферу), что в свою очередь отражается на эволюции всех форм жизни, в том числе и на самом человеке.
Человек уникален тем, что, создавая блага для себя, он одновременно может действовать во вред себе как виду. Даже если предположить, что этим человек создаст предпосылки для собственной эволюции, нельзя при этом допускать ни сокращения продолжительности жизни, ни утраты здоровья.

Антропогенное воздействие на биосферу неотъемлемо от развития цивилизации. Распашка земель, вырубка лесов, вытаптывание степей постоянно сопутствуют истории человечества. Уместно вспомнить об уничтожении отдельных видов животных и растений и о расселении некоторых видов из мест коренного обитания.

Вместе с тем, одним из наиболее важных решений, является экологическая биотехнология (экобиотехнология), специализирующаяся на решении природоохранных задач, таких как, например: восстановление озёрных экосистем, очистка загрязнённых сред от нефти и её производных продуктов, мониторинг окружающей среды и т.д. [1]

Экологическая биотехнология успешно применяет на практике следующие базовые методы:
– Биологическая очистка сточных вод;
– Утилизации твёрдых отходов;
– Биологическая очистка газовоздушных выбросов;
– Биодеградация ксенобиотиков.

Экологическая биотехнология. Методы утилизации твёрдых отходов.
В области переработки и ликвидации твёрдых отходов биотехнологические методы наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков.
Традиционно твёрдые отходы складируются на городских свал­ках. Всё возрастающие объёмы отходов на душу населения приво­дят к возникновению огромного количества свалок, увеличению их площади, а также к неуправляемому попаданию отходов в окру­жающую среду из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным 1984 г., во Франции, Греции и Ирландии по ходу транспор­тировки отходов на свалки было рассыпано соответственно 10.3, 17.5 и 35% от общего количества ликвидированных отходов.

Не­смотря на всё возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках суще­ственно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель — биогаз, основные усилия стали направляться на соответ­ствующую организацию свалок и на получение на месте их перера­ботки метана.

Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на го­родские свалки, состав твёрдых отходов в развитых странах, в общем, становится всё более однотипным, при этом чётко просматри­вается тенденция увеличения объёма бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70% от общего коли­чества твёрдых отходов.

Динамика состояния отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как всё время происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганиз­мов, которые развиваются на поверхности твёрдых частиц, являю­щихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциа­ции складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависят от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода. [2]

На типичной европейской свалке, где отходы размещены по от­секам, система переработки отходов является, по существу, сово­купностью реакторов периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.
На начальной стадии биодеградации твёрдых отходов доминиру­ют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроор­ганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и беспозвоночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые ком­поненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окис­ляемые субстраты — лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твёрдых отходов.

Наиболее информативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В не переработанных отходах отношение содержа­ния целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно перерабатываемых — 0.9-1.2 и в полностью стабилизированных отходах — 0.2. В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекания процессов деструкции органических веществ. Однако при этом снижается растворимость кислорода являющегося лимитирующим фактором.

Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют разнообразные взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Последовательно проходит процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и орга­нических кислот. Далее при участии метаногенов происходит про­цесс образования метана.

Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях заключительной стадии катаболизма

Рис. 1 Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990):
бактерии, потребляющие: I — нитраты, II — сульфаты;
бактерии, образующие: III — пропионат, IV — ацетат, V — метан;
бактерии, катаболирующие: VI — аминокислоты, VII — метилированные металлоорганические комплексы.

В результате комплекса процессов, происходящих при биодегра­дации содержимого свалок, образуются два типа продуктов — филь­трующиеся в почву воды и газы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, мине­ральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным моментом при выборе и организации мест свалок является защита по­верхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильльтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки либо создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.

Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев можно удалить из вод до 70% БПК; в капельных биофильтрах или системах с активным илом — до 92% БПК с одновременным извлечением в результате биосорб­ции свыше 90% металлов (железа, марганца, цинка).

Анаэробная биоочистка позволяет удалить 80-90% ХПК в течение 40-50 дней при 25°С (при 10°С величина удаления ХПК снижается до 50%).
Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, яв­ляется ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грун­товых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур). Поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособлений (преграды, наполненные гравием траншеи, системы экстракции газа), позволяющих управлять пе­ремещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек, препятствующих утечке газа.

Интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок существенно возрос в последние десять лет. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Общего рынка — около 40. Создание таких установок планируется в Великобритании, Японии, Канаде, Швейцарии и др. Сбор и последующее применение биогаза, образуемого на свалках в больших количествах, имеют огромные перспективы. Так, установка в Россмане в летние месяцы даёт до 40 000 м3 газа в день. Объёмы таких установок значительны, до 10-20*106 м3.

Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твёрдых отходов. Реальные экспериментальные значения выхода биогаза, полученные на различных лабораторных, пилотных установках и контролируемых свалках дают существенный разброс данных, от десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие факторы — температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.
Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер, так как использование образуемого на свалках биогаза снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.[2]

Экологическая биотехнология. Методы биологической очистки сточных вод.
Биологическая очистка сточных вод, основанная на возможности использовать микроорганизмами имеющиеся загрязнения в качестве пищевых источников, осуществляется с целью минимизации опасных соединений до регламентированных законом концентраций. В зависимости от масштабов, специфики и схемы работ, сточные воды могут очищаться с помощью городской, производственной или небольшой хозяйственной инфраструктуры естественными (на основе растительных, водных и почвенных экосистем) или искусственными (благодаря специально разработанным сооружениям) методами путём функционирования аэробных (основаны на микроорганизмах, требующих для своей жизнедеятельности наличие кислорода) или анаэробных (характеризуются присутствием микроорганизмов, живущих в условиях отсутствия кислорода) систем.

Экологическая биотехнология. Аэробная очистка сточных вод
Биологическая переработка отходов опирается на ряд дисциплин: биохимию, генетику, химию, микробиологию, вычислительную технику.
Усилия этих дисциплин концентрируются на трех основных направлениях:
1) Деградация органических и неорганических токсичных отходов;
2) Возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора, азота и серы;
3) Получение ценных видов органического топлива.

При очистке сточных вод выполняют четыре основные операции:
1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.
3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.
4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо – метан.

Сточные воды поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание осуществляется за счет подачи воздуха. В случае необходимости в усреднитель подаются также биогенные элементы в необходимых количествах и аммиачная вода для создания определенного значения рН. Время пребывания в усреднителе составляет обычно несколько часов. При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки – песколовки и первичные отстойники. В них происходит отделение очищаемой воды от грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды.
Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси.
В основе биологической очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% – из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем образуют зооглей – симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Микрооганизмы, выделенные из активного ила относятся к различным родам: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas. В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.
Существенная роль в создании и функционировании активного ила принадлежит простейшим. Функции простейших достаточно многообразны; они сами не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют возрастной и видовой состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на определенном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу бактериальных экзоферментов, концентрирующихся в слизистой оболочке и тем самым принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые инфузории (Mastigophora), реснитчатые инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria).
Показателем качества активного ила является коэффициент протозойности, который отражает соотношение количества клеток простейших микроорганизмов к количеству бактериальных клеток. В высококачественном иле на 1 миллион бактериальных клеток должно приходиться 10-15 клеток простейших. При изменении состава сточной воды может увеличится численность одного из видов микроорганизмов, но другие культуры все равно остаются в составе биоценоза.
На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние и сезонные колебания температуры, обеспеченность кислородом, присутствие минеральных компонентов. Все это делает состав или сложным и практически невоспроизводимым. Эффективность работы очистных сооружений зависит также от концентрации микроорганизмов в сточных водах и возраста активного ила. В обычных аэротенках текущая концентрация активного ила не превышает 2-4 г/л.
Увеличение концентрации ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации, для поддержания концентрации кислорода на необходимом уровне.

Таким образом, аэробная переработка стоков включает в себя следующие стадии:
1) Адсорбция субстрата на клеточной поверхности;
2) Расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;
3) Поглощение растворенных веществ клетками;
4) Рост и эндогенное дыхание;
5) Высвобождение экскретируемых продуктов;
6) “Выедание” первичной популяции организмов вторичными потребителями.

В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. На практике очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила возвращается в систему очистки, а избыток активного ила, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на поля. Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем. Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.
Система полной доочистки может состоять из множества элементов, которые определяются дальнейшим назначением сточной воды. Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит осветление и насыщается кислородом. Пруды также относятся к системе биологической очистки, в которой под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в придонных – факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов. Насыщение воды кислородом происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями, из которых особенно широко представлены Clorella, Scenedesmus, встречаются эвгленовые, вольвоксовые и т.д. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и др. В биопрудах из воды хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения. В некоторых случаях воду после биологической очистки подвергают реагентной обработке – хлорированию или озонированию.

Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии активного ила чистым кислородом. Этот процесс можно осуществить в модифицированных аэротенках закрытого типа – окситенках, с принудительной аэрацией сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах (или перколяционных фильтрах) клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно отнести к иммобилизованным клеткам. В этом случае иммобилизована не монокультура, а целый консорциум, неповторимый по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от его местонахождения на поверхности носителя. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного ценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей.

Экологическая биотехнология. Недостатками этого метода можно считать:
1) Нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей;
2) Необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной скоростью;
3) Сточные воды перед подачей должны быть освобождены от взвешенных частиц во избежание заиливания.
В качестве носителей можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью. Для биофильтров характерно наличие противотока воды, которая поступает сверху и воздуха, подающегося снизу. Оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а идут на иловые площадки или в анаэробную преработку.
Существуют также системы, сочетающие в себе как систему биофильтров, так и активного ила в аэротенках. Это так называемые аэротенки-вытеснители. В аэрируемую сточную воду помещают либо стеклоерши, либо создают систему сеток внутри тенка, в которые вкладываются прокладки из пористого полиэфира. В пустотах этих прокладок и на поверхности стеклоершей происходит накопление биоценоза активного ила. Носитель периодически удаляется из тенка, биомасса снимается, после чего носитель возвращается в реактор.

Система с иммобилизованными на мобильном носителе клетками отличается от биофильтров своей экономичностью, так как используются высокие концентрации микроорганизмов, и нет необходимости осаждать конечные продукты. Такая система может найти применение в очистке локальных стоков, с узким спектром загрязнений. Их целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смешивая со стоками других производств. Это позволяет получить биоценозы микроорганизмов, адаптированные к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость и эффективность очистки резко возрастают.[2]

Экологическая биотехнология. Анаэробные системы очистки
Как уже упоминалось, избыток активного ила может перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах – метатенках.

Распад органических веществ состоит из трех этапов:
1) Растворение и гидролиз органических соединений;
2) Ацидогенез;
3) Метаногенез.

На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.
Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию – стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них – представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.
Процесс метанообразования – источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.

Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов – один из перспективных путей совместного решения энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным комплексам перейти на автономное энергообеспечение.[2]
Показатели загрязненности сточных вод
На всех этапах очистки сточных вод ведется строгий контроль за качественным составом воды. При этом проводится детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение качественного и количественного состава загрязнителей. Необходимость такого анализа определяется спецификой системы переработки, так как в сточных водах могут присутствовать токсические вещества, способные привести к гибели микроорганизмов и вывести систему из строя.
Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, рН, температура не вызывает трудностей. Сложнее определить содержание органических веществ в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, окончания процесса очистки, а также оценки возможности сброса воды в водоемы.
При определении содержания органических веществ широко используются два способа: химическое потребление кислорода и биохимическое потребление кислорода. В первом случае методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25% раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 часов в 50% (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ используется катализатор – сульфат серебра. Дихроматный способ достаточно прост и легко автоматизируется, что обуславливает его широкое распространение.
Биохимическое потребление кислорода измеряется количеством кислорода, расходуемым микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение биохимического потребления кислорода требует специальной аппаратуры. В герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода, пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах. Лучше всего культивировать микроорганизмы из уже работающих биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений.
Определение лишь одного из показателей качества сточной воды (химического или биохимического потребления кислорода) не всегда позволяет оценить как ее доступность для биологической очистки, так и степень конечной очистки. Так, например, имеется целые группы соединений, определение химического потребления кислорода для которых невозможно, хотя эти соединения вполне доступны для биохимического определения кислорода и наоборот. Все это говорит о том, что для оценки чистоты сточных воды необходимо использовать одновременно оба метода.
Экологическая биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит создание новых, более совершенных способов переработки отходов, однако применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается этим. Экологическая биотехнология будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве, помогая создать замкнутые и полузамкнутые технологические циклы, решая хотя бы отчасти существующие здесь проблемы.[2]

Экологическая биотехнология. Методы биологической очистки газовоздушных выбросов
Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в услови­ях возрастающей технологической деятельности приобретает всё большую остроту. В воздухе больших промышленных городов со­держится огромное количество вредных веществ. При этом кон­центрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия неф­теперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплек­сы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отхо­дов. Среди этих веществ — органические (ароматические и непре­дельные углеводороды, азот-, кислород-, серу- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероугле­род, окислы углерода, аммиак, хлороводород, галогены). В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.
Для очистки воздуха применяют различные методы — физиче­ские, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов — абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостя­ми. Наиболее распространёнными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки газо­воздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в ограниченных масштабах.
Биологические методы очистки воздуха базируются на способ­ности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические и ациклические соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium — дихлор­этан; Xanthobacterium — этан и дихлорэтан; Mycobacterium — винилхлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений — загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов — деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и генетиков включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для биологической очистки воздуха применяют три типа устано­вок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.
Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ совсем недавно — в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г., только в ФРГ функционировало и находилось в стадии за­пуска около 240 установок. Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является филь­трующий слой, который сорбирует токсические вещества из возду­ха. Далее эти вещества в растворённом виде диффундируют к мик­робным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют при­родные материалы — компост, торф и др. Эти материалы содержат в своём составе различные минеральные соли и вещества, необхо­димые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подаётся вентилятором в систему, проходит через филь­трующий слой в любом направлении, снизу вверх или наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется однородность слоя и опреде­лённая степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40—60% от веса мате­риала носителя. При недостаточной влажности материала филь­трующего слоя в нём образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, то возможно при использовании компоста, так как при этом сни­жается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует принимать комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95—100%. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3—10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70% от массы фильтрующего материала и равномерно распределяется по всему слою. Для предотвращения резкого закисления материала фильт­рующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2—40% от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входя­щие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3.
Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ и ферментативной активностью микроорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии вредных примесей бутанола, этилацетата, бутилацетата и толуола последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки достигаются спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов доста­точно велика и составляет несколько лет.
Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различ­ных установках. На первом этапе в абсорбере токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород растворяются в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязнённая вода далее следует на очистку. Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т. д.). Цель конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз, газа и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. На второй стадии загрязнённая вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроор­ганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Экологическая биотехнология. Биореактор с омываемым слоем.

Рабочим телом такой био­системы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными мик­робными клетками. Биослой омывается водой, содержащей необхо­димые для развития клеток минеральные вещества. Загрязнённый воздух проходит через этот биослой. При этом вещества, подлежа­щие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую и скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ, величины их концентра­ций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5—10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращён до нескольких часов. Периодически, обычно раз в несколько месяцев, биослой очищают от избытка био­массы и наполняют свежими гранулами.
Основные требования, предъявляемые к установкам биологичес­кой очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надёжности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки ^измеряется отношением объёма воздуха, прошедшего через неё за 1 ч, к общему объёму установки.
Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время весьма незначительны. Наибо­лее распространённым типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоёмки, требуют незначительных рас­ходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно невысока — от 5 до 400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечно­го сечения фильтрующего слоя/ч. Главным образом это опреде­ляется низким содержанием микроорганизмов в единице объёма материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требова­ний однородности структуры и газодинамических ограничений небольшая (около 1 м). Поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах — доста­точно высокая. Например, используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90%-ю степень очистки воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофиль­тров связано с созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через рабочее тело установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортёром вновь подаётся в верхнюю часть. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из возду­ха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96.7-99.9%. Повышение эффективности работы биофильтров безусловно связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.
Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий даёт следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интенсивности запаха воздуха от 75 до 85%, степень конверсии органических примесей — 50%.
Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биоре­акторы с омываемым слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более высокой удельной про­изводительностью (несколько тысяч м3 очищаемого воздуха в час). Очень эффективны такие малогабаритные установки для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очист­ки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альде­гида, этилацетата достигает 90% при удельной производительности установки 10 000 ч-1.
Известны другие подходы для очистки воздуха, например на основе растущей суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом и парами сер­ной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100%-ю очистку воздуха при производи­тельности установки до 1 млн. м3/ч. Известны способы комплекс­ной очистки стоков и загрязненного воздуха от алифатических кис­лот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом. Показана возможность эффективной очистки отходящего воз­духа ряда фармацевтических производств на основе иммобилизо­ванных микробных клеток. Производительность установки по аце­тону достигает 164 г углерода/м3-ч; 57 г/м3-ч по смеси этанол + пропанол и 15 г/м3-ч по дихлорэтану. Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены биологические методы, включая применение различных биологических агентов — от активного ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а иммобилизованная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида.
Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные соединения серы (тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут служить источником энергии для многих микроорганизмов:
Thiobacillus
H2S + 2О2 -> H2SO4

Hyphomicrobium
(CH3)2S + 5O2 -> 2CO2 + H2SO4 + 2H2O
Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой раствор меди. Образуемый в результате это­го нерастворимый сульфид металла далее может быть окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от сероводорода, а также органических соединений серы с использованием тиобацилл; при анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:

5H2S + 8NaNO3 -> 4Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O + 4N2
(CH3)2S + 4NaNO3 -> 2CO2 + Na2SO4 + 2NaOH + 2H2O + 2N2
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.

Экологическая биотехнология. Ксенобиотики и их биодеградация.
Ксенобиотики — чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора.[2]

В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:
1) Устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;
2) Растворимость их в воде;
3) Летучесть ксенобиотиков;
4) рН среды;
5) Способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;
6) Сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации. [3]

Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина, CAM – камфары. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плаз¬мид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.
Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов – азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.
Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P. stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика – фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактерии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с почвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлорфенол. В одном из экспериментов грибами обработали около 10000 тонн почвы с территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее. [4]

Заключение
Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла еще 5000 лет назад. Экологическая биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создает малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.
Таким образом, я достиг, поставленной цели и решил задачи.

Список литературы
1. С. Н. Орехов, Ю. О. Сазыкин, И. И. Чакалева «Биотехнология»; С
2. В. Г. Волкова «Экологическая биотехнология» С. 49 – 60;
3. А. Е. Кузнецов, Н. Б. Градова «Научные основы экобитхнология»;
4. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=21289

Категории
Рекомендации
Подсказка
Нажмите Ctrl + F, чтобы найти фразу в тексте
Помощь проекту
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru