Современные биотехнологии охраны окружающей среды

Реферат на тему:

«Современные биотехнологии охраны окружающей среды»

План

Введение

1. Биотехнологии

2. Биотехнология переработки отходов

3. Биотехнология защиты атмосферы

4. Биотехнология охраны земель

5. Биотехнология очистки вод

6. Биотехнология переработки отходов растительности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Термин "окружающая среда" интерпретируется каждым из нас по-разному. Обезоруживающее по своей простоте определение этого понятия было предложено А.Эйнштейном: "Окружающая среда - это все, что не я". Как и всё гениальное, это определение лаконично объясняет, почему в третьем тысячелетии человек имеет так много экологических проблем. В самом деле, окружающая среда - это типичный пример "трагедии общего": она принадлежит всем и никому. Как результат, все мы (как на Западе, так и на Востоке), следуя поведенческим критериям "общества второй волны" (определение экономиста А.Тоффлера), проэксплуатировали окружающую среду до катастрофического предела.

Решение экологических проблем зиждется, в основном, на фундаменте биокаталитических методов из-за их относительной дешевизны и высокой производительности, а вся подчиненная область называется природоохранной биотехнологией, являющейся в настоящее время крупнейшей областью промышленного применения биокатализа, принимая во внимание объемы перерабатываемых веществ. Философия в рамках современной природоохранной биотехнологии должна быть целостной по отношению ко всем компонентам окружающей среды, а это требует интеграции многих научных дисциплин, и, в первую очередь, детальных знаний о механизмах протекающих биокаталитических процессов, а также их эффективного инженерного оформления.

Очевидно, что в биотехнологии защиты окружающей среды акцент должен быть сделан на компоненте "био", по крайней мере, не в меньшей степени, чем на компоненте "технология". Хотя в исторической перспективе, решение проблем окружающей среды было почти исключительно монополизировано санитарной инженерией.

К настоящему времени существует ряд биокаталитических и инженерных подходов, для защиты трех основных компонентов окружающей среды - почвы, воды и атмосферы.

В данной работе будет сделана попытка подробного рассмотрения вышеуказанных направлений биотехнологических методов охраны окружающей среды.

1. Биотехнологии

Биотехнологии как направления науки и практики являются пограничной областью между биологией и техникой отраслей человеческой деятельности. Они представляют собой совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание технологических процессов, основанных на продуктах жизнедеятельности биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являются фундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики, клеточной и генной инженерии, их сочетание.

История биотехнологии насчитывает тысячелетия (производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т. д.). Однако ежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим для которых является искусственное создание условий для эволюционных, биогеохимических процессов на Земле в виде характерных биореакторов, реализующихся с большими скоростями, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающей природной средой.

Принципиальная связь биогеотехнологии с геомикробиологией и биотехнологией представлена на рис. 1.

На протяжении столетий человечество добывало металлы из богатых и относительно простых по химическому составу руд. По мере истощения запасов таких руд стали использовать полиметаллические и более бедные руды. Традиционные способы добычи металлов загрязняли окружающую "природную среду отходами, шлаками (полезно используется не более 2% сырья). При этом извлекался только один элемент, а сопутствующие накапливались в отвалах.

Рис. 1. Связь биогеотехнологии с геомикробирлогией и биотехнологией

Более совершенен и менее антропогенен гидрометаллургический метод, основанный на использовании водных растворов, одним из разновидностей которого является бактериально-химическое выщелачивание металлов.

Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. К таким минералам относятся сульфиды железа, меди, никеля, цинка, кобальта, свинца, молибдена, серебра, мышьяка. Металлы переходят из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную. Полученные концентрированные (до 50 г/л) железосодержащие растворы отправляются на экстракцию и электрохимическую обработку (аналогична обработка и других металлов).

Биотехнология выщелачивания металлов может использоваться как для непосредственной обработки в пласте, так и в заброшенных карьерах и отвалах, что в целом улучшает охрану окружающей природной среды (более 5% металлов в мире добывается в настоящее время таким способом и в перспективе его применение несомненно возрастет).

Тионовые бактерии находят также применение для предварительного понижения содержания серы в рудном сырье. Содержание серы в углях может достигать 10-12%, при их сжигании образуется сернистый ангидрид, который в дальнейшем выпадает в кислотных дождях. Принципиально биотехнология снижения серы в углях аналогична выщелачиванию металлов. Попутно выделяются содержащиеся в углях германий, вольфрам, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк.

При добыче каменного угля зачастую выделяется метан, являющийся причиной взрывов и смертельных случаев на шахтах. Наряду с имеющимися способами борьбы с метаном в шахтах применяется и биотехнологический, в основе которого лежит процесс поглощения метана метаноокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных пространствах.

Для метаноокисляющих бактерий метан служит одновременно источником углерода и энергии (1/3 расходуется на увеличение биомассы, а 2/3 - на образование внеклеточных органических соединений и углекислого газа). Метаноокисляющие бактерии выращивают в ферментерах, концентрируют и непосредственно в шахте приготавляют рабочую суспензию с добавками азота и фосфора, которая закачивается в пласт из расчета 30-40 л на 1 т угля. Необходимый для развития бактерий кислород подают в пласт компрессорами. Содержание метана в этом случае снижается более чем в 2 раза и в 1,5 раза повышается отдача угольного пласта.

Заметное место среди средств повышения вторичной добычи нефти принадлежит также биотехнологии. При нефтедобыче извлекается не более 50% ее запасов в пласте, что обусловлено прочной связью нефти с породой. Повышение нефтедобычи пласта на 10-16% равносильно открытию нового месторождения. После закачивания воды для активизации биохимической активности микробов проводят аэрацию в зоне нагнетательной скважины. Это вызывает микробное разрушение нефти с образованием углекислого газа, водорода, низкомолекулярных органических кислот, которые поступают в анеробную зону пласта и разрушаются анаэробными метангенерирующими бактериями с образованием метана. Разрушение нефти и образование газов приводит к разжижению ее, увеличению текучести и повышению газового давления в пласте, что сопровождается увеличением нефтедобычи (в отдельных случаях до 30%) и снижению антропогенного воздействия на окружающую природную среду.

2. Биотехнология переработки отходов

Не отрицая важности для окружающей природной среды большого опыта и разнообразия механических и физико-химических методов утилизации твердых бытовых отходов, реальную перспективную альтернативу представляют биотехнологические методы. Особую важность биотехнологии переработки отходов обусловливает недолговременная исчерпаемость традиционных энергоносителей: угля, нефти, газа, а также далеко не бесспорные экологические характеристики атомных электростанций.

Биотехнология переработки твердых отходов не только позволяет утилизировать биогаз и снизить энергетический дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую природную среду, в том числе уменьшить компоненты парникового эффекта.

Общим подходом к биотехнологии утилизации отходов с энергетическими целями является их анаэробная деструкция. Анаэробное сбраживание представляет собой бескислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляемый в мезофильных (1; = 30-33"С) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. Время контакта твердых отходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток в зависимости от сырья, влажности, перемешивания.

В большинстве случаев при обработке твердая фаза имеет 3-5%-ную концентрацию веществ, до 75% из которых - органические компоненты, примерно 50% их превращаются при сбраживании в биогаз. Газ состоит на 65- 70% из метана, 25-29% - углекислоты, а остальное составляют водород, сероводород, аммиак. Средняя производительность по газу составляет 1 л на 1 кг биологически окисляемых веществ. Средняя теплота сгорания биогаза 22-24 МДж/м3. Возможные пути утилизации биогаза - использование в котельных для обогрева; получение электроэнергии посредством газогенераторных установок; сжижение и использование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.

В США, Японии, Германии насчитываются сотни, а в Китае десятки тысяч ферментеров для получения электроэнергии индивидуального пользования в жилом секторе и на сельскохозяйственных фермах путем переработки собственных и с незначительным добавлением растительных отходов. В нашей стране получение биогаза не вышло из стадии опытно-промышленных исследований, но перспектива развития биотехнологии в этом направлении, особенно для сельских регионов, очевидна.

Несколько иной механизм биодеструкции, но также с получением биогаза наблюдается при переработке твердых бытовых отходов (ТБО) на полигонах. На первой стадии катаболизма ТБО преобладают аэробные микробные процессы в сочетании с физическими и химическими, по существу представляющие биокомпостирование. После исчерпания кислорода снижается температура ТБО, происходит развитие микроаэрофилов, факультативных анаэробов, участвующих в образовании метана. В теплый период года наблюдается интенсивное метанообразование (от 3,1 до 371 л/кг ТБО в год). Уменьшение размера частиц ТБО до 10-20 мм увеличивает газоинтенсивность метановыделения в 4 раза. Положительное воздействие оказывает на метаногенез внесение в ТБО твердой фазы сточных вод станции аэрации особенно после анаэробной биодеструкции в качестве посевного биоматериала (инокулянта). В основе биогаза от ТБО практикой идентифицировано до 46 компонентов, доминантным из которых является метан (50-60%).

Биогаз, образующийся на свалках, может быть извлечен при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. После удаления конденсата и пыли его теплота сгорания составляет 17-20'МДж/м:!, а при дальнейшей очистке может достичь 34-37 МДж/м3.

3. Биотехнология защиты атмосферы

Молекулы, служащие источником дурно пахнущего загрязнения воздуха, образуются в результате множества различных процессов. Эти молекулы часто органические и могут подвергаться микробной деградации. Пороговые концентрации дурного запаха весьма незначительные. Например: валериановая кислота - 0,6%; тиофенол - 0,06; диамилсульфид - 0,14; масляная кислота - 1; метилмеркантан - 1Д04; скатол - 1,2; этилмеркантан - 0,19%.

Дурно пахнущие запахи удаляют биотехнологически в "сухих" или "мокрых" биореакторах.

"Мокрый" реактор, или биоскруббер, работает как ре. актор с насадкой с иммобилизированной биомассой и противотоком жидкости. Дурно пахнущие газы при этом переносятся из газовой фазы в жидкую, как в обычном скруббере, а затем окисляются закрепленной биомассой. Основные преимущества этого процесса:

* большая эффективность поглощения, биоокисление практически до нуля снижает дурно пахнущие загрязнения, резко уменьшается объем поглощающей жидкой фазы;

* параллельно решается проблема удаления сточных вод.

"Сухой" биореактор загружается насадкой из биоактивного сорбирующего материала (компост, торф), через который продувают загрязненные газы. Сорбированные соединения активно окисляются микробными сообществами, развивающимися на поверхности насадки, одновременно регенерируя ее. По такой биотехнологии, например, производится очистка воздуха в свинарниках. Перспективное направление биотехнологии очистки газов - создание биологически активных сорбентов и оптимизация микробного сообщества (включая генетические методы), окисляющих широкий спектр субстратов (воздухоочистителей).

4. Биотехнология охраны земель

Загрязненность почв неорганическими ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных минеральных добавок снижают урожайность и качество сельскохозяйственных культур, а также приводят к эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву весьма затратны. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются безграничные возобновляемые ресурсы удобрений, содержащие необходимые питательные элементы для сельхозкультур, и близкие, а иногда и превышающие по качеству органические удобрения (например, осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствуют бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и организационно) в целом разрешимо, то второе требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в РФ и за рубежом проводится большая работа по селекции и получению методами генетической инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву вместе с осадками продуцировать полимеры, переводящие тяжелые металлы в неподвижные формы, и осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения такого типа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название "микробное восстановление загрязненной нефтью почвы".

Не менее перспективным и эффективным является бактериальный препарат "Путидойл", промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Рзеийотоп аз. Параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с нефтью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойства почв.

5. Биотехнология очистки вод

Биологическая очистка природных и сточных вод в настоящее время достаточно изученный и широко применяемый метод, значение и роль которого со временем будут только возрастать в связи с требованиями экологичности и экономичности современных видов производств.

Однако такой способ в его настоящем применении позволяет разрушить только относительно простые органические и аммонийные соединения, так называемые "биологические мягкие". Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к "биологическим жестким" органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений - текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводит к необратимым из-за кумуляции изменениям в генофонде.

Среди ксенобиотиков большое распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если не применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков. Это обстоятельство ставит проблему предварительной очистки природных вод от ксенобиотиков, которая может быть решена путем экологизации или прекращения выпуска соответствующих препаратов, или способами биотехнологии.

Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствующих нормативам ВОЗ, современными приемами биотехнологии являются:

* селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;

* совершенствование иммобилизационных комплексов;

* ферментативный катализ;

* физико-химические воздействия;

* генно-инжиниринговые комбинации.

Селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделении активных культур, штаммов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма) с последующим внесением их в качестве посевного материала в биореакторах. Иммобилизация - это процесс, при котором клетки (ферменты) прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от показателей среды обитания. При этом достигаются следующие положительные эффекты:

* сохранение практически постоянной биомассы в биореакторе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидкости;

* создание пространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулированием процесса;

* рост производительности, что уменьшает объем биореакторов;

* повышение устойчивости системы к неравномерности поступления сточных вод;

* регулирование процесса по составу носителей.

Ферментативный катализ заключается в воспроизводстве определенного вида ферментов или их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведения процесса в биореакторах. При этом скорость возрастает на 2-3 порядка, что позволяет уменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относится интенсификация процесса биодеструкции загрязнения путем мутации штаммов за счет физических воздействий (ультразвук, ультрафиолетовые излучения, радиационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облучение, омагничивание) или химических воздействий (нитрозоамины, сильные окислители и пр.). Мутация штаммов повышает эффект очистки сточных вод на 50-70%. Однако требуется периодическая обработка биомассы, так как мутированные признаки со временем снижаются.

Более эффективным и перспективным методом очистки вод с заданными деструктивными свойствами является генно-инжиниринговый. Он заключается в использовании методов рекомбинантной ДНК: соединений определенных катаболических последовательностей специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штаммов позволяет получить эффективные культуры, которые после помещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.

5. Биотехнология переработки отходов растительности

Отходы растительности - это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитарно-гигиеническим соображениям клетчаткосодержащие остатки: листья; ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты; очистки картофеля; образующиеся в больших количествах в стеблях зерновых.

Локально, в небольших объемах эти отходы утилизируют, например, ботва свеклы и рубленая солома идут на корм скоту. Солома после химической обработки служит сырьем для производства дрожжей, из которых получают белковые корма. В сельском хозяйстве солому частично используют как подстилку скоту. Однако в больших количествах отходы растительности сжигают или вывозят на свалку, загрязняя тем самым ОПС.

Наиболее рациональный и сравнительно дешевый способ переработки отходов растительности - это компостирование.

Компостирование позволяет получить ценный продукт для внесения в почву в качестве удобрения. Одновременно компостирование является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы более безвредными для ОПС. Гуммифицированные продукты после внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней.

Помимо остатков растительности компостировать можно городской мусор, сырой осадок и активный ил станций аэрации, измельченные автомобильные покрышки и др.

Важными параметрами процесса компостирования являются: соотношение углерода, азота и фосфора, влажность, дисперсность, рН, аэрация, размер бурта.

Исходное сырье для компостирования необходимо освободить от металла, стекла, пластмассы. Дисперсность частиц для компостирования не должна препятствовать аэрации и отводу углекислоты. Соотношение углерода к азоту в оптимальных условиях составляет 25:1-30:1, а фосфора - около 1:2. В качестве добавок, увеличивающих скорость процесса компостирования, применяют активный ил, компост, древесную щепу, опилки, солому. Оптимальная влажность 50-60%, температура 55°С. Парциальная составляющая газовой среды должна быть не менее 30%. Аэрация снабжает микроорганизмы кислородом, отводит воду, теплоту, углекислоту. Перемешивание предотвращает образование анаэробных зон, слеживаемость и рекомендуется проводить не реже 3-4 раз за весь процесс. Время компостирования 4-20 суток в автоматизированных установках (вращающихся) и до 3 месяцев - в стационарных (буртах). При компостировании высота бурта не должна превышать 1,5 м, ширина бурта - 2,5 м, длина не ограничена.

Состав готового компоста зависит от исходного сырья и усредненно содержит следующие компоненты: органическое вещество - 75-80%; углерод - 8-50; азот - 0,4- 3,5; фосфор - 0,1-1,6; калий - 0,4-1,6; кальций (в виде СаО) - 0,7-1,5%. Важным результатом является практически полная непатогенность компоста, внесение которого рекомендуется, в зависимости от климатических условий осуществлять 1 раз в 3-4 года из расчета 8-15 т/га.

Заключение

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

Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации (Журавлев В.П. и др., 1995).

История биотехнологии насчитывает тысячелетия (хлебопечение, виноделие, сыроделие и т. д.) Однако ежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим подходом для которых являет искусственное создание условий для эволюционных, биогеохимических процессов на Земле в виде характера биореакторов, реализующихся с большой скоростью, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающей природной средой.

Биотехнология нашла широкое применение в охране природной среды, в частности при решении следует прикладных вопросов:

а) утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

б) биологическая очистка природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

в) микробное восстановление загрязненных почв, получение микроорганизмов, способных нейтрализовывать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

г) компостирование (биологическое окислении) от растительности (опад листьев, соломы и др.);

д) создание биологически активного сорбирующе материала для очистки загрязненного воздуха.

На транспорте необходимо внедрение экологически чистых видов топлива (газа, неэтилированных бен), устройство каталитического дожигания и сплав вредных веществ, широкое внедрение электрики.

В холодильной технике и технике кондиционирования переходит от хладагентов на базе хлорсодержащих углеводородов (фреонов), разрушающих озоновый слой, к озонобезопасным смесям, состоящим только из фторуглеводородов.

В машиностроении разрабатываются системы водоочистки для гальванических производств, переходящие к замкнутым системам рециркуляции воды и извлечения металлов из сточных вод, в области обработки металлов шире используется получение деталей из пресс-порошков.

В целлюлозно-бумажной промышленности внедряются процессы с низким расходом свежей воды на единицу продукции, применяя замкнутые и бессточные системы промышленного водоснабжения; максимально использующие экстрагирующие соединения, содержащиеся в древесном сырье, для получения целевых продуктов, совершенствуются процессы отбеливания целлюлозы с помощью кислорода и озона; улучшают переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами в целевые продукты; создаются про мощности по переработке бумажных отходов, в том числе макулатуры.

Список использованной литературы

1. Арустамова Э.А. Природопользование. М., 2002.

2. Э.А. Арустамов, И.В. Левакова, Н.В. Баркалова "Экологические ос-новы природопользования"

3. Зенова Г.Н., Штина Э.А. Почвенные водоросли. М., МГУ, 1991, 96 с.

4. Кабиров Р.Р. Роль почвенных водорослей в поддержании устойчивости наземных экосистем // Альгология, 1991.Т.1.

5. Рыжов И.Н., Ягодин Г.А. Школьный мониторинг городской среды. М., "Галактика", 2005 , 192 с.