Навколишнє середовище та біотехнологія. У міру того як збільшується населення Землі і розвивається промисловість, все більш серйозною стає проблема захисту навколишнього середовища. У рішенні такого роду завдань біотехнологія відіграє дедалі зростаючу роль, зокрема, в тому, що стосується розробки нових або вдосконалення існуючих способів переробки відходів. Новітні процеси переробки незвичайних відходів будуть засновані на використанні мікроорганізмів. що володіють новими, невідомими раніше або штучно створеними катаболическими здібностями.
Процес мінералізації органічних покидьків, заснований на використанні активного мулу. був розроблений в 1914 році. З тих пір він був істотно модернізований, став більш складним і продуктивним і використовується сьогодні в усьому світі для переробки стоків.
Також великі надії покладаються і на біоінженерію. Розробка біодатчіков допоможе здійснювати моніторинг і контроль за умовами середовища. Біоіндикаторами називаються живі організми або їх спільноти, життєві функції яких тісно корелюють з певними факторами середовища, що можуть застосовуватися для їх оцінки.
Методи очищення стоків і викидів, знешкодження твердих відходів, а також питання біоіндикації і біотестування - методів, які оцінюють стан природного середовища по реакціях живих організмів, - будуть розглядаються більш докладно у відповідних розділах спеціальних дисциплін: «Технологія очищення води», «Технологія очищення газів» , «Промислова екологія», «Моніторинг».
Назвемо основні біотехнологічні процеси, використовувані в практиці природоохоронних технологій.
Біологічне очищення стоків
Існують мікроорганізми. для яких забруднення, що містяться в стічних водах. є поживними речовинами. На початку XX століття відбулася революція в міському господарстві, коли був запропонований метод аеробного біологічного очищення стічних вод за допомогою активного мулу - складної суміші мікроорганізмів. Хоча при цьому потрібно перемішувати рідину і безперервно аерувати її повітрям, такий спосіб дозволяє переробляти великі обсяги стоків з найрізноманітнішими забрудненнями - від господарсько-побутових до промислових.
біосорбції
Біосорбції важких металів зі стоків. Звичайна очищення стоків видаляє з них в основному органічні забруднення. Якщо ж в стоках містяться важкі метали, такі, як мідь. нікель. хром. свинець та інші, то потрібні додаткові методи очищення, наприклад біотехнологічні. Є певні види мікроорганізмів. які здатні осаджувати на собі (сорбувати) метали, розчинені в рідині. Концентрація металів при цьому зростає настільки, що після теплової обробки біосорбент можна розглядати як сировину для отримання кольорових металів.
Біокомпостірованіе твердих відходів
Аналогом аеробного очищення стоків є аеробне біокомпостірованіе твердих відходів. Тверді відходи змішуються з мікроорганізмами, що розкладають шкідливі забруднення, і баластних матеріалом типу торфу. який забезпечує доступ кисню до мікроорганізмів. Це дозволяє перетворити відходи в добриво або просто використовувати їх в якості підсипки для доріг, в будівництві і в інших випадках.
Метанове зброджування твердих відходів
Ще в 1776 р Вольта виявив, що в болотному газі міститься метан. Але тільки значно пізніше була визначена роль анаеробних мікроорганізмів в цьому процесі. З 1901 року успішно застосовують анаеробне зброджування осаду надлишкового активного мулу. утворюється при роботі установок біологічної очистки стічних вод. В результаті зброджування отримують газ, що містить 65% метану і 30% діоксиду вуглецю. який цілком може бути використаний для опалення. Процес протікає в спеціальних апаратах - метантенках. де накопичується газ знаходиться під деяким тиском. Зброджених осад, якщо тільки він не містить підвищених концентрацій важких металів. успішно використовують як добриво. Він краще вихідного осаду за складом, і в ньому майже повністю відсутні хвороботворні мікроорганізми.
Метанове бродіння застосовують також і для переробки концентрованих рідких відходів, хоча швидкість його протікання менше, ніж в разі аеробного біологічного очищення активним мулом. З середини XX століття процес анаеробного зброджування з отриманням біогазу став дуже популярний стосовно відходів тваринницьких ферм, особливо в теплих країнах, таких, як Китай і Індія.
Біологічне очищення газових викидів
Багато викиди в атмосферу містять шкідливі або ганебні домішки. Для їх очищення застосовують біофільтри, заповнені насадкою, на якій закріплені спеціальні мікроорганізми. Шкідливі домішки сорбируются на насадці і потім споживаються і знешкоджуються мікроорганізмами.
Біодеградація нафтових забруднень на грунті і воді
При аварійних розливах нафти використовують біотехнологічні способи відновлення забруднених територій, які обробляють спеціально вирощеними нафтоокислюючих мікроорганізмами, вносячи різні добавки для їх азотистого і фосфорного живлення, що дозволяє утилізувати вуглеводні нафти, перетворюючи їх в біомасу мікроорганізмів і діоксид вуглецю.
Біодеградація хімічних пестицидів і інсектицидів
Для боротьби з бур'янами і шкідниками рослин часто використовують хімічні пестициди та інсектициди. Вони діють жорстко і в короткий час ліквідують бур'яни і шкідників на обробленій ділянці. Однак в подальшому виникають проблеми: пестициди створюють хімічну небезпеку, зберігаючись на рослинах або потрапляючи в поверхневі природні води. Щоб це виключити, розроблені біопрепарати зі специфічних мікроорганізмів або ферментів. дозволяють прискорити деградацію пестицидів.
Боротьба з накопиченням метану в шахтах
Ми часто чуємо про вибухи в шахтах, викликаних порушенням умов експлуатації. Від метану в шахтах важко звільнитися: потрібна дуже сильна вентиляція, щоб знизити концентрацію нижче вибухонебезпечної межі. Біотехнологи запропонували вносити в шахти - в відпрацьовані штреки - суспензію мікроорганізмів, здатних споживати метан. Це дозволяє знижувати концентрацію метану. Розглядалися також проекти використання метану, відсмоктується вентиляцією з шахт, для безперервного вирощування цих мікроорганізмів, а їх надлишок використовувати для отримання кормового білка.
Знесірчення нафти і кам'яного вугілля
Є мікроорганізми, здатні переводити сірку з сульфідів і меркаптанів в елементну сірку. На основі використання таких мікроорганізмів розробляють технології знесірчення вугілля і нафти. В результаті і паливо електростанцій, і моторне паливо автомобілів стає більш екологічним - дає менше викидів діоксиду сірки в атмосферу.
Збагачення повітря киснем
Хоча діоксид вуглецю - продукт дихання багатьох живих істот - вважається нешкідливим, все ж в підвищених концентраціях він справляє негативний вплив на тваринний світ і людину. Робота багатьох промислових підприємств, теплових електростанцій призводить до поступового підвищення його концентрації в атмосфері. Наслідком цього може стати глобальне потепління на Землі, пов'язане з так званим «парниковим ефектом». Це тягне за собою багато вельми неприємні наслідки для мешканців Землі.
Зараз роль очищувача атмосфери від діоксиду вуглецю відіграють трав'янисті рослини і дерева, але зменшення зеленого покриву в зв'язку з урбанізацією підриває самі основи існування людства.
У компактній формі ці проблеми виникають при організації систем життєзабезпечення на космічних кораблях, підводних човнах і, взагалі, в замкнутих просторах проживання людей. Для поглинання видихається діоксиду вуглецю і поповнення убутку кисню на таких об'єктах вже давно пропонувалося культивування мікроводоростей (або ціанобактерій) хлорелла. які під дією сонячного світла дозволяють вирішувати цю задачу. Може бути, цей прийом в подальшому будуть використовувати і в більших масштабах, наприклад для уловлювання вуглекислоти в викидах теплових електростанцій.
біорозкладані полімери
Речі з поліетилену. поліпропілену та інших пластмас, в буквальному сенсі слова, оточують нас всюди. Особливо багато пластикової упаковки, яку після використання найчастіше просто викидають. І тут її, в принципі цінне, властивість - стійкість до розкладання вологою, світлом, холодом і теплом, грунтовими мікроорганізмами - відіграє негативну роль. Земна куля буквально переповнений використаної пластмасової упаковкою. Тому в деяких країнах, що піклуються про екологію (США, Німеччини, Англії), вже діють обмеження на використання пластикової упаковки. Натомість пропонується упаковка на основі полігідроксібутірата. або полілактат. або спеціальним чином обробленого крохмалю. в суміші з целюлозою. Біотехнологія може допомогти в створенні таких матеріалів, хоча вони і будуть дорожче. Викинуті пакети або флакони з таких матеріалів при взаємодії з грунтовими мікроорганізмами будуть перетворюватися в воду, діоксид вуглецю і біомасу цих самих мікроорганізмів, оберігаючи планету від відходів.
Пральні порошки з ферментами
Зараз вже не є новиною це досягнення біотехнології. хоча з'явилося воно більше 30 років тому. Ферменти для таких порошків (протеази) виробляються біотехнологічними методами.
Вермікультівірованіе і копрокультівірованіе
Багато відходи сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості можуть перероблятися не тільки за допомогою мікроорганізмів (біокомпостірованіе або метанове бродіння), але і за допомогою нижчих організмів - черв'яків. Серед них є дуже ефективні види - каліфорнійські червоні черв'яки, які «перемелюють» землю з різними органічними відходами в прекрасне добриво. Нормальний стан кладовищ також неможливо без черв'яків. Цей напрямок переробки відходів називають вермикультивирования. До речі, якщо при цьому поблизу мати підсобне господарство для розведення птахів, то надлишок черв'яків цілком може служити їжею курям, гусям і іншої птиці.
Копрокультівірованіе чимось нагадує розведення личинок мух (не можна давати їм перетворюватися в літаючих мух). Відомо, що мухи відкладають величезну кількість яєць, які досить швидко ростуть, перетворюючись в личинки мух і при цьому переробляючи всілякі гнилі відходи. Показано, що личинки є чудовим кормом для птахів, а при певній обробці - також для свиней і хутрових звірів (норок, наприклад). Цей напрямок називають копрокультівірованіем.
Хоча ці два напрямки, строго кажучи, не підпадають під наше визначення біотехнології. все ж про них варто згадати, так як вони можуть застосовуватися в поєднанні з біокомпостірованіем.