МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЕЕ УЛУЧШЕНИИ.

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

О.В. Мосин

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

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

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

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

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

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

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

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

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

Допастеровская эра Использование спиртового и молочнокислого броже-

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

ных дрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса

Послепастеровская эра Производство этанола, бутанола, ацетона, глицеро-

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

канализационных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов

Эра антибиотиков Производство пенициллина и других антибиотиков

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

тительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов

Эра управляемого биосин- Производство аминокислот с помощью микробных
теза (1961 — 1975 гг.) мутантов. Получение чистых ферментов. Промыш-

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

Эра новой биотехнологии Использование генной и клеточной инженерии в це-
(после 1975 г.) лях получения агентов биосинтеза. Получение гиб-

ридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур. Трансплантация эмбрионов

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

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

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

В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав антител — важного фактора иммунологической системы человека и животных. В 1975 г. путем гибридизации соматических клеток получены гибридомы, секретирующие моноклональные антитела.

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

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

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

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

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

Зерновые

Травы

Однолетние

Многолетние

Потери гумуса, кг/га в год

1300—1800 700—900

500—700 700—900

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

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

Эффективность использования 1 т навоза видна из приведенных ниже данных.

Пшеница озимая

Яровая Рожь

Сахарная свекла

Картофель

Прибавка урожая, кг

36 153 182 101

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

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

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

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

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

Серьёзная экологическая ситуация складывается и на биохимических заводах, производящих кормовые дрожжи на основе парафинов нефти. Здоровью человека угрожают не только стоки, но и атмосферный воздух, в котором увеличено содержание дрожжей из рода Candida. Дейтельность таких заводов сейчас в основном, приостановлена.

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

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

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

Экологическую ситуацию, сложившуюся в мире, можно характеризовать так.

Последствия

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

Процесс

ВПК, мг/л

Содержание СВ, мг/л

Масса СВ в 1 т рыбы, кг

Обработка рыбы

Влажная

Сухая

Приготовление лососины Обработка крабов Приготовление селедки Приготовление рыбных маринадов Производство рыбной муки

600—1200

100—1100

173—3900

320—1000

3200—5800

6900—14000

46 000—490 000

150—960

30—230

88—7400

135—660

1150—5300

1500—4600

7600—21 500

21 85

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

Сточные воды на предприятиях, перерабатывающих рыбу, сильно различаются по содержанию сухого вещества и ВПК. В среднем при переработке 1 т рыбы расходуется около 5 т воды, а ВПК стоков составляет обычно от 10³ до 10⁴ мг/л. Однако при производстве рыбной муки ВПК стоков достигает 300000 мг/л.

Прежде чем подвергнуть стоки после обработки рыбы биологической очистке, необходимо изыскать максимальные возможности получения из них полезных продуктов.

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

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

Биосферы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

До 0,25 2,0

300,0

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

Таблица 5. Биотехнологические методы зашиты окружающей среды

Метод

Сфера применения или субстрат

Сущность метода

Народное хозяйство

Здравоохранение и ветеринария

Сельское хозяйство

Создание безотходных технологических процессов

Создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и животных

Создание растений, устойчивых к болезням и вредителям

Биологические методы Сельское и лесное хо-борьбы с болезнями и зяйство вредителями растений

Сельское хозяйство

Бактериальные удобрения и стимуляторы роста растений

То же

Создание культурных растений, способных фиксировать атмосферный азот без участия микроорганизмов

Получение из отходов полезных продуктов или обезвреживание их

Средства для диагностики, иммуностимуляторы, вакцины, антибиотики и др.

Получение методами генетической и клеточной инженерии культурных растений, при возделывании которых отпадает необходимость использования ядохимикатов как средств борьбы против вредителей и болезней Специальные микробиологические или другие биологические препараты селективно уничтожают вредных насекомых, грызунов или возбудителей болезней Усиление биологической фиксации атмосферного азота, мобилизации фосфора; ускорение роста органов растений; снижение потребности в минеральных удобрениях

Перенос методами генетической инженерии в геном растений генов от микроорганизмов, определяющих фиксацию

Аэробная биологическая очистка стоков

Коммунальные и производственные сточные воды

То же

Анаэробная биологическая очистка стоков

В аэротенках спонтанная микрофлора в присутствии кислорода утилизирует органические вещества стоков и накапливается биомасса — активный ил. Содержание СВ снижается на 50 % В метантенках анаэробная микрофлора утилизирует органические вещества, в том числе активного ила, полученного после аэробной обработки с образованием биогаза (95% от переработанного органического вещества)

Селективная утилизация Промышленные стоки индивидуальных химических соединений стоков

Управляемое компостиро- Сельское хозяйство, го-вание твердых отходов родские свалки

Детоксикация почвы от Почва пестицидов и других химических загрязнений

Специально адаптированные культуры микроорганизмов обычно в иммобилизованном виде утилизируют определенные вредные вещества (фенол, кислоты и др.) При аэрации твердых отходов ускоренно происходит микробная деструкция части компонентов субстрата с образованием компоста Промыванием почвы и микробиологической обработкой промывных вод достигается утилизация вредных соединений, накапливающихся в почве при химизации сельскохозяйственного производства

Биосорбция металлов Сточные воды

Диагностика степени за- Сточные воды, почва,
грязнения среды воздух

В специальных биофильтрах микроорганизмы селективно сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том числе радиоактивные При помощи моноклональ-ных антител или иммунофер-ментного анализа определяют присутствие вирусов и бактерий. При помощи ферментов контролируют присутствие в среде определенных веществ

Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются

системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми

выбросами. В аэробных и анаэробных условиях обычно с помощью иммобилизованных культур микроорганизмов в жидких стоках разрушают большое количество органических соединений. Примером может быть окисление сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillus denitrificans, иммобилизованными в геле альгината. Процесс происходит в анаэробном биофильтре. В гель включают также СаСОэ для поддержания буферности и ионы Са²⁺ в качестве структурирующего фактора в гранулах альгината. Такая система обеспечивает утилизацию сульфидов из раствора в течение 12 сут при их концентрации 26 промиль (К. L. Sublette, 1988).

Учёными-биотехнологами разработана также биотехнологическая система для окисления металлов в грязеобразной среде с содержанием сухого вещества 10—30 %. Так, бактерии рода Leptespirillum окисляют ртуть, серебро, молибден, селен и др. (Е. A. Griffin et. al., 1989). Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводородов нефти.

Различные яды и вредные вещества — соли тяжелых ме таллов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ин гибирующие активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие жизненные процессы;

2) кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых
системах;

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

Эти вещества очень опасны, так как часто недоступны воздействию микроорганизмов и не разрушаются;

4) растворимые органические вещества, содержащие углерод
и азот, нефтепродукты, углеводы и т. д.

Данная группа веществ используется микроорганизмами в качестве субстрата и способствует их чрезмерному размножению в водоемах. В свою очередь, это приводит к увеличению расхода растворенного в воде кислорода и развитию анаэробной, гнилостной микрофлоры, что вызывает вымирание других форм жизни. В таких условиях могут развиваться микроорганизмы, опасные для здоровья человека, например сульфатредуцирующие бактерии, в результате действия которых появляется неприятный запах сероводорода и т.д.;

5) нерастворимые органические соединения — крахмал, целлюлоза, лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих частиц поступают в водоемы и вызывают последствия, схожие с действием веществ предыдущей группы;

6) радиоактивные и другие вредные загрязнители.

Водоемы и почва представляют собой биологические системы,

способные утилизировать отходы. В почву помимо отходов сельского хозяйства (навоз, солома и др.) попадают коммунальные и промышленные отходы. Как известно, навоз, компосты и солома являются удобрениями для полей. Однако необходимо знать предельные количества внесения удобрений. Вокруг крупных животноводческих комплексов требуются большие земельные площади, чтобы без ущерба для почвы утилизировать образующийся навоз. Жидкий свиной навоз перед вывозом на поле необходимо выдержать 6—8 мес., чтобы инактивировать патогенную микрофлору. При использовании отходов животноводческих ферм для удобрения полей, один из критериев — содержание азота, максимально допустимая доза которого составляет 300 кг/га. Практика показывает, что количество жидких отходов свиноферм, вносимых методом орошения за 1 год на площадь 1 га, не должен превышать 250 м³. Но на больших животноводческих комплексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, следовательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зависит от свойств почвы, химического и биологического состава отходов.

В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной ферментации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа утилизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, животных и человека вредными химическими веществами или болезнетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые компоненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно отметить, что почва хорошо задерживает фосфорные соединения, которые могут использовать растения. В среднем на 1 га земли за год можно вернуть в виде растительной массы 20—60 кг фосфора. Способность сорбировать фосфор зависит от содержания в почве гумуса, алюминия, железа, кальция и от рН. Утилизация азота зависит от потребления его растениями, интенсивности денитрификации и степени перехода азота в аммиак, а также от количества отходов на единицу площади земли.

Скорость разрушения органических компонентов в почве различная, поэтому у некоторых веществ период полураспада длится месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада измеряется часами и минутами. Скорость разрушения зависит от свойств почвы, температуры, влажности, рН и других факторов. Так, органические вещества в почве трансформируются микроорганизмами и другими биологическими объектам, а неорганические обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве строго лимитируется. По данным Р. Ц. Лоера (R. C.Loehr, 1984) в почву можно внести (в кг/га): цинк не более 1000, медь и никель не более 500, а кадмий не более 20. Вносить металлы можно в почвы с высокой катионообменной способностью; в почвы с низкой катионообменной способностью допустимые количества цинка, меди, никеля и кадмия соответственно 250, 125, 125 и 5 кг/га.

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

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

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

Аэробные системы очистки стоков

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

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

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

DS/dt = mX = m/Y_s

где m_s — удельная скорость роста; Y_s — выход биомассы из субстрата (экономический коэффициент), г/л.

Скорость массопередачи кислорода, как известно, характеризуется уравнением:

M = K (C^* - C_l)

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

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

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

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

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

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

ила, 6 — уплотнитель ила

Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод

Аэротенк

Характеристика и принцип работы

Схема

Коридорный

Работает по принципу вытеснения. Малоинтенсивные; открытые

Стоки	-=j^ -------------------------------------- 1
Ил ,-Воздух [		~~^4-~~t~~-)-++++~~fj)
		., ,^
		ГС

		[4+4444444+])

Выход

•*•

Системы Кессенера

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

_О2г на 1 кВт-ч израсходованной электроэнергии

Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; открытый. Массообмен до 2,3 кг O₂ на 1 кВт-ч

U/4J»

Пневматический с ке- Интенсивная аэрация
рамическими воздухе- (требуется компрессор);
распределителями открытый

Продолжение

Аэротенк

Характеристика и принцип работы

Схема

Колонный, башенный Низкая турбидизация сре-
или эрлифтный ды (требуется компрес-

сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энергозатраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ

Инжекционный с ре- Интенсивная аэрация циркуляцией ила и (требуется компрессор); сжиганием органических веществ

Воздух

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О₂на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.

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

Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населением около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м³/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биологической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.

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

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Оборудование	Количество	Общий объем, м	Примечание
Резервуары для предварительной обработки стоков Аэротенки с керамической воздухораспределительной системой Дображиватели-отстойники	4 27 9	35000 39000 94000	Диаметр 63 м Размеры аэротенка 8Х X 45X4,3 м; подача воздуха 75 000 м³/ч Диаметр 53 м

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работающих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м³/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогревом.

На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем размером 5—10 см. Высота фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает частицы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1—3 м³/(м²-сут).

Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизонтальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пластмассы или шифера. На 35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки поднимается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно применяют для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечивают его снижение на 80—85 %.

Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве

носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3— O,9 мм. Другой путь интенсификации — повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.

Анаэробные системы очистки стоков

Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B₁₂и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложение органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у животных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэробный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппаратах — метантенках.

Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).

В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образования из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий ферментации и присутствующей микрофлоры.

В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и другими видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 10⁶ кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2—3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 10⁶ кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.

Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микроорганизмов, обладающих протеолитической активностью, в метантенках достигает 10⁵ кл/мл. Отмечается, что до 50 % выделенных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте первыми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее — обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.

Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно присутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH₂ с образованием NAD. Содержание водорода в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водорода будет низким. При этом условии углеродные соединения конвертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увеличиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.

В третьей фазе — метаногенной — участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ — архибактериям. Строение и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном — около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показали, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО₂ до наиболее восстановленного СН₄. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methanobacterium thermoautotrophicum показан на рис. 3.

Таблица 8. Фазы метанового брожения

Группы бактерий, участвующие в процессе

Исходные вещества

Продукты

Метаногенез

На, СО₂, СНзСООН

СН₄, СО₂

Галактозо-КН_г

|Аспартат{

Оксал о ацетат

Малат Фумарат

Фактор

Сукцинат

ATP I

Сукцинил-СоА

(С0₂) 1 ^факт°Р 420_ВОССа-кетоглутарат

Гексозофосфат

Триоэофосфат

АТР

Фосфоенолпирув ат

Пентоэофосфат

Рис. 3.

Предполагаемая схема автотрофной ассимиляции СО₂ у бактерий Methanobacterium thermoautotrophicum

После создания Хангейтом Р. Э. в 1985 г. упрощенной техники культивирования метанобразующих бактерий удалось выделить 30 видов метаногенов, принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Некоторые представители метанобразующих бактерий приведены в табл. 11.9. По форме клеток метаногены являются кокками или палочками различных размеров и подвижности. Некоторые представители Methanobacterium и особенно Methanothrix могут образовывать даже нитеобразные клетки. Строение клеточной стенки у метаногенов отличается от таковой у обычных бактерий.

В качестве субстрата многие метаногены потребляют формиат, который трансформируют в метан:

4HCOOH-CH₄+3CO₂+2H₂O

Таблица 9. Характеристика метанобразующих бактерий

Род и вид

Характеристика культуры

Субстрат

Methanobacterium

formicum

bryantii

thermoautotrophicum Methanobrevibacterium

ruminantium

smithi

orboriphilus Methanococcus

vannielii

voltae

thermoiithotrophicus

mazei

Methanomicrobium mobile

Methanobacterium cariaci marisnigri

Methanospirillum hunga-tei

Methanosarcina barken

Methanolhrix soehngenii

Methanothermus fervidus

Палочки от длинных до нитеобразных; в клеточной стенке содержится псевдомуреин

Комки, короткие палочки; в клеточной стенке содержится псевдомуреин

Подвижные нерегулярные небольшие кокки; в клеточной стенке содержатся полипептидные субъединицы

Подвижные короткие палочки и нерегулярные подвижные небольшие кокки; в клеточной стенке содержатся полипептидные субъединицы

Подвижные небольшие нерегулярные кокки; в клеточной стенке содержатся полипептидные субъединицы Подвижные палочки; в клеточной стенке содержатся полипептиды

Нерегулярные кокки, сгруппированные в пакеты; в клеточной стенке содержатся гетерополисахариды Палочки от длинных до нитей; в клеточной стенке не содержится муравьиная кислота

Неподвижные палочки; в клеточной стенке содержится псевдомуреин

Водород и формиат

Водород

То же

Водород и формиат

То же

Водород

Водород и формиат То же

Водород, метанол, метиламин, ацетат Водород и формиат

То же

Водород и формиат

Водород, ацетат, метанол, метиламин

Ацетат

Водород

При переработке различных коммунальных и промышленных стоков пищевых производств основным субстратом для метаногенов является ацетат, который также превращается в метан:

СН₃СООН -СН₄ + СО₂.

К этой группе метаногенов относятся Methanosarcina barkeri Methanococcus mazei, Methanothrix soengenii. При конверсии ацетата в метан с их помощью очень мало изменяется свободная энергия субстрата (AG6 = —32 кДж), поэтому скорость их роста низка и их генерация длится не менее 10 сут.

Некоторые метаногены, как следует из таблицы 9, конвертируют в метан также метанол и метиламин:

4/3 СН₃СООН -СН₄ + ½ СО₂+ 2/3 H ₂ O .

4/3 СН ₃ NH₂ + 2/3 H₂O - С H₄+ 1/3 CO₂.

Метан при метановом брожении получается также из СО₂ и Н2, образующегося в результате деятельности в основном ацетогенных бактерий. Предполагаемая схема восстановления СО₂ до метана представлена на рис. 11.4. Согласно этой схеме переносчиками С] являются метаноптерин (МР) и 7,8-дигидрометанопте-рин (ДНМР) , коферменты F_A и М.

Количество газа, получаемого из 1 моля кислоты в процессе брожения, можно определить по уравнению Басвелла:

- + со₂ +

HS - CoM

с_nн_a0_b + ( „ - i

COOH-DHMP

НСО-МР

HS - CoM СН_гОН-8-СоМ

CH,-&-CoM

„ CoM*

Рис. 11.4. Предполагаемая схема восстановления СО2 в метан метаногенами

где п, a , b — число атомов углерода, водорода и кислорода в соответствующей кислоте при 30 °С и нормальном давлении.

С увеличением длины углеродной цепи кислоты увеличивается количество получаемого газа. Так, из 1 г муравьиной кислоты получается газа 540 мл, из 1 г уксусной — 823 мл, из 1 г масляной — 1055 мл, из 1 г капроновой — 1224 мл.

Исследования, проведенные экологами, показали, что при термофильном метановом сбраживании паточной барды спиртового производства с содержанием СВ 4,2 % при суточной замене 10 % среды из 1 объема ферментационной жидкости выделяется 22 объема газа. Общее содержание кислот в жидкой среде 2,5 %, в том числе муравьиной — 0,46 %, уксусной — 0,79 %, пропио-новой — 0,86 %, масляной — 0,39 %. Экспериментально установлено, что по скорости сбраживания органические кислоты распределяются в следующем нарастающем порядке: пропионовая, капроновая, валериановая, муравьиная, масляная, уксусная. Наиболее интенсивно сбраживается уксусная кислота.

Метаногенез зависит в большой степени от химического состава среды и физических факторов. Прежде всего необходимо иметь в виду, что метаногены строгие анаэробы и кислород является для них ядом. Значение окислительно-восстановительного потенциала (еН), при котором лимитируется рост метаноге-нов, равно 330 мВ; оптимум — примерно — 400 мВ. Присутствие одной молекулы О₂ в 10 л воды ингибирует метаногенез. Однако наши исследования показали, что кратковременная аэрация метантенка не приводит к гибели метаногенов, так как сопутствующая факультативно анаэробная микрофлора утилизирует кислород и через 2 сут метаногенез возобновляется (рис. 5).

Мета-нобразующие бактерии хорошо развиваются и метаболизируют субстрат в метан при рН 6—8. Однако различные представители по-разному реагируют на из-

РН

менение рН среды. В метан-тенках рН поддерживают на уровне, близком к нейтральному или щелочному.

2 4 6 8 10 12 сут

Рис. 5. Влияние кратковременной аэрации среды на метаногенез при сбраживании свиного навоза в термофильных условиях

По температурному оптимуму различные метаногены сильно различаются. В природе встречаются как психрофилы, так и термофилы, выживающие даже при 97 °С. Большинство ме-тантенков работает в мезо-фильном режиме при 35— 45 °С. Термофильная ферментация (при 50—57 °С) идёт менее интенсивнее, чем мезофильная, однако процесс отличается меньшей стабильностью.

Биомасса метанобразующих бактерий состоит из 54 % углерода, 20 % кислорода, 10 % водорода, 12 % азота, 2 % фосфора и 1 % серы. Кроме того, в биомассе содержатся калий, натрий, кальций, магний и ряд микроэлементов, наиболее важные из которых кобальт, молибден и никель. Чтобы обеспечить формирование клеточной массы, в среде должны содержаться необходимые питательные вещества. Соотношение ХПК: N:P должно быть 700:5:1, нельзя допускать избытка азота (C:N не менее 20:1). Уровень токсичности ионов аммиака для метанобразующих бактерий 1500—2000 мг/л; цианида (CN~) —0,5—1,0 мг/л; калия, натрия и кальция — 3000—6000 мг/л.

Ингибирование метаногенеза вызывают сульфиты, которые при метановом брожении сульфатвосстанавливающие бактерии восстанавливают до H₂S. Метаногенез ингибируется при концентрации сульфидов 100—159 мг/л. При метаногенезе на 50 % сокращается содержание растворимых солей тяжелых металлов при следующих концентрациях ионов (в мг/л}: железо— 1 —10; цинк— 10~⁴; кадмий— 10~⁷; медь —10~¹² и 10~¹ (для двухвалентной формы).

Процесс метаногенеза замедляется в присутствии различных детергентов (при их концентрации около 15 мг/л), антибиотиков и других веществ. Если метановое брожение не ингибировано, при 35 °С выход метана составляет 0,34—0,36 м³ из 1 кг расходованного ХПК или 0,91—0,93 м³ из 1 кг использованного органического углерода. Можно считать, что в среднем из 1кг ХПК получают 0,35 м³ метана. Если эти показатели ниже, то можно предполагать, что метаногенез ингибируется каким-либо фактором. Об этом свидетельствуют, например, изменение реакции среды (подкисление), накопление пропионата. Сумма летучих жирных кислот в среде не должна быть выше 250 мг/л.

Для восстановления интенсивности метанового брожения можно снижать скорость подачи субстрата, подщелачивать среду химическими веществами, разбавлять стоки водой, удалять токсические соединения путем предварительной обработки стоков. Интенсифицировать метановое брожение можно также, разделяя процесс на две стадии: первую — предварительную, в которой в отдельном аппарате или секции реализуется гидролиз субстратов, и вторую — собственно метаногенез. Это позволяет локализовать специфическую для каждой стадии микрофлору и обеспечить наиболее благоприятные условия для развития каждой группы микроорганизмов: в первой — преимущественно гидролитическую и ацетогенную, во второй — главным образом метаногены. Установлено, что метаногены любят адгезировать на поверхностях, поэтому во второй секции можно помещать специальные иммобилизующие средства (щетки, гранулы и т.д.).

Так как метанобразующие бактерии имеют низкую скорость роста, важно технологическими методами обеспечить их высокую концентрацию в биореакторе. Один из таких методов — иммобилизация клеток на поверхности носителей. Нами установлено, что на щетках из капроновых волокон уже через 2—3 нед ферментации накапливается в 2—3 раза больше метаногенов, чем в жидкости.

Оригинальный метод повышения концентрации биомассы разработан в 1970 г. Леттингом Г., Зендером А. и др. В биореакторе создают условия, способствующие естественному образованию гранул бактериальной биомассы под воздействием факторов среды и гидродинамического режима. Например, направляя поток среды снизу вверх, достигают выноса из реактора нефлокулирующих микроорганизмов. Этим создаются благоприятные условия для накопления биомассы флокулообразующих сарцин и нитеобразующих форм бактерий (например, из рода Methanot-hrix). Гранулообразованию способствует выбор специального субстрата. Так, Methanosarcina и Methanothrix утилизируют преимущественно ацетат, следовательно, в среде должен быть ацетат.

Для накопления в среде ацетата в начале процесса устанавливают небольшие скорости загрузки биореактора, чтобы создать условия для утилизации и трансформации всех высших жирных кислот. Кроме того, в среде должны быть ионы кальция, которые способствуют флокуляции. При таких условиях в нижней части биореактора постепенно накапливаются гранулы величиной 0,5— 2,5 мм с хорошими седиментационными свойствами. В реакторе не должно быть механического перемешивания, чтобы не деформировать и не разрушить гранулы. В верхней части биореактора необходимо устанавливать сепарационное устройство, в котором гранулы отделяются от жидкой фазы и возвращаются в нижнюю часть аппарата. Кроме того, в сепарационном устройстве отделяется также газовая фаза. По такому же принципу созданы и эффективно работают биореакторы с верхним вводом потока и с толстым слоем шлама (биореактор UASB — Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor).

Схема такого биореактора приведена в табл. 10. В нижней части биореактора в слое высотой 1,5—2,5 м концентрация биомассы достигает 50—100 кг/м³; над этим слоем концентрация биомассы 5—20 кг/м³. В оптимальных условиях биореактор обеспечивает суточную загрузку ХПК до 15 кг/м³, полная замена субстрата происходит за 4 ч при степени очистки 70—90 %.

Таблица 10. Системы анаэробной очистки сточных вод

Биореактор

Принцип действия и конструкция

Схема

Анаэробные лагуны Система отстойников, в Стони

которых стоки пребыва- I Биогаз Виозоз

ют от нескольких недель .T_i_i_i_ __ t M _1Т,{]'илц?н-

7777Z

до 2 мес. газы свободно г.. ъныеамю

выделяются в атмосферу

Продолжение

Биореактор	Принцип действия и конструкция	Схема
Двухступенчатый биореактор	Ферментационное пространство разделено на две части: в первой реализуется процесс биодеградации субстрата и ки- /-_. слотообразования, а во —	Виагаз
		^_1
		Нисяояю- 7ки образоВа-	qj Метано- 5 генез s Hi з

			1 са

Для анаэробного брожения стоков применяют различные биореакторы очень больших объемов, изготовленные из металла или железобетона, в виде вертикальных и горизонтальных цилиндров или прямоугольных резервуаров. В Китае, Индии и некоторых других странах Азии успешно используют небольшие биореакторы объемом до 10 м³ очень простой конструкции для утилизации отходов домашнего хозяйства. Количество таких биореакторов составляет более 10 млн. В развитых странах построено множество крупных биогазовых установок для очистки стоков промышленных предприятий и отходов ферм. Метановое брожение традиционно применяют при очистке городских стоков, для утилизации активного ила после аэробной ферментации.

В последнее время анаэробное метановое брожение применяют для детоксикации стоков. Установлено, что анаэробные бактерии деградируют не только углеводы, липиды, протеины, нуклеиновые кислоты, но и многие соединения нефтехимической промышленности, например бензольную кислоту.

4 С₆Н₅СООН + 18 Н₂0 - 15 СН₄+ 13 СО₂.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, нитробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кретоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, синтетические полимеры и многие другие вещества и продукты.

Метановое брожение должно рассматриваться не только как средство защиты окружающей среды, но и как метод получения газообразного топлива, ценных органических удобрений и даже кормовых добавок. Так, в начале 60-х годов Институтом биохимии им. А. Н. Баха при участии Института микробиологии им. А. Кирхенштейна Латвии был создан метод получения концентрата витамина В₁₂ путем метанового сбраживания мелассной барды спиртового производства. Витамин B12 содержится в биомассе бактерий метанового брожения.

В разделе об аэробных системах очистки стоков уже говорилось, что в городах, где за 1 сут сбрасывается 550 тыс. м³ стоков, успешно работают комбинированные системы, состоящие из 27 аэротенков объемов 39 000 м³ и 6 метантенков объемом 6500 м³каждый. Метантенки работают в мезофильном режиме, длительность замены субстрата 17 сут. После метанового брожения биомасса отделяется и высушивается с использованием энергии биогаза. Сухой продукт, получаемый в количестве 280 т/сут, служит удобрением.

Финской фирмой «Тампелла» предложена рациональная система очистки стоков пищевых и бумажных заводов. Биореактор «Таман» сконструирован с учетом возможности реализации двухстадийного процесса (кислая и метаногенная стадии), причем на метаногенной стадии применяется гранулооб-разный шлам. Интенсификация метанообразования обеспечивается в результате выноса из зоны метаногенеза свежего субстрата с важными ингибиторами, а также наличия во второй зоне большой биомассы метанобразующих бактерий. Обе зоны могут быть размещены в одном вертикальном цилиндре, разделенном горизонтальной перегородкой на верхнюю зону объемом 300 м³ и нижнюю — 350 м . На молочном заводе, перерабатывающем за год 63 млн л молока и производящем 3000 т сыра, 2 тыс. т сливочного масла, 1,2 млн т мороженого и 17 млн л товарного молока, система очистки «Таман» обеспечивает хорошую очистку стоков.

Количество перерабатываемых стоков, м³/сут 500

ХПК, т/сут 1,3

БПКл, т/сут 0,6

Таблица 11. Производительность и стоимость биореакторов различных систем

Система

Продуктивность, м^э/(м^а-сут)

Стоимость 1 м³ биореактора, ECU

Анаэробный контакт в одном реакторе 0,88 248

С механическим перемешиванием и рециркуля- 0,64 436
цией биомассы

Проточная с флокуляцией биомассы 5,4 2159

Была изучена также окупаемость биогазовых установок. Обследованы 32 установки, из которых 5 самодельные и 3 явно экономически выгодные (срок окупаемости 3—4 года). 27 установок, изготовленных различными фирмами, по окупаемости оказались менее выгодными.

Однако, как показали результаты проведённых иссследований экономически оправданы лишь биогазовые установки, которые обеспечивают продуктивность не ниже 1 м³/(м³-сут) и имеют удельные капиталовложения не более 300—400 ECU за 1 м³ биореактора.

Экономические аспекты получения биогаза при современных животноводческих фермах изучены также в Швейцарии (Э. Эдельманн, 1985). Автор приходит к выводу, что практически все виды отходов сельскохозяйственного производства могут быть переработаны в биогаз и получаемая таким образом энергия может покрыть основные потребности хозяйства. Однако невыгодно ориентироваться только на энергию биогаза, так как для утилизации различных отходов требуется применение специальных технологий и оборудования. Получение биогаза и отходов выгодно тем, что переработке подвергаются влажные субстраты.

Э. Эдельманн отдает предпочтение мезофильному режиму ферментации, при котором на поддержание процесса тратится меньше энергии и не нужна столь тщательная изоляция оборудования и коммуникаций. В отдельных случаях допустим даже психрофильный режим (15—20 °С), но в этом случае потребуется биореактор большого объема. Чем больше животных на ферме, тем меньше удельные капиталовложения. Так, при поголовье крупного рогатого скота 20—30 ежегодные удельные расходы на выращивание одного животного в условиях Швейцарии составляет около 2500 швейцарских франков, а при 70 животных — 1500. 40—50 % капиталовложений идут на работу биореактора, коммуникаций и насосов. Для эксплуатации биореактора удельные расходы на одно животное составляют 150—300 швейцарских франков.

Рентабельность эксплуатации биогазовых установок во многом зависит от конкретных условий и умелого проектирования установки. Э. Эдельманн приводит ряд случаев, когда были созданы слишком большие биореакторы и биогаз использовался нерационально, особенно в летний период. Автор считает, что государство должно поощрять создание биогазовых установок, выделяя дотации, так как это мероприятие направлено на оздоровление окружающей среды.

Весьма положительным фактором при оценке экономики метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов является использование жидких отходов после ферментации в качестве удобрения или в качестве корма для рыб и других животных (Maramba et. a!., 1983; Marchaim, 1983).

На основании данных работ опытной установки в Калабрии (Италия) был сделан расчет стоимости биогаза. Биомассу водорослей получили в морской воде в бассейне площадью 500 м² и сбраживали ее в метан в биореакторе объемом 1 м³. При выходе метана из 1 кг растворенного сухого вещества биомассы 0,35 м³ оказалось, что стоимость 1 кДж энергии такого биогаза составляет 10 долл. Выход энергии при получении метана из водорослей выше, чем при получении этанола из сахарного тростника или метанола из древесины (Wagner, 1985).

Необходимо отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным условием хозяйствования. Выбор системы очистки — дело инженерного расчета с учетом экономической оценки вариантов. Но главным критерием всегда должно быть получение безвредных для природы стоков. При одинаковом экологическом результате экономически более оправданы системы анаэробной обработки стоков (табл. 12), при которых в анаэробной установке перерабатывается 1,1 т ХПК/сут и обеспечивается БПКб очи щенной воды около 4,5 мг/л. Годовой доход от такой системы около 3000 руб. Аэробная система очистки стоков никакой прибыли не дает.

Чтобы стимулировать оздоровление экологической ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода требуют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных.

Таблица 12. Сравнительная оценка систем очистки стоков

Показатель	Аэробная	Анаэробно- аэробная
Капитальные вложения, тыс. руб.	270	270
Расход энергии, кВт-ч/сут	600	120
Количество избыточного ила, кг/сут	330	85
Количество метана, нм³/сут	—	260
Годовые эксплуатационные расходы, руб.
Итого	11 470	2530
В том числе
на энергию	2800	570
на химикаты	5400	330
на обслуживающий персонал	1600	800
на техобслуживание	1670	830

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

А и а л а Ф., К а и г е р Дж. Современная генетика. В 3-х томах: перевод с английского/под ред. Ю. П. Алтухова, Е. В. Ананьева. — М.; Мир, 1987. Т. 1 -295 с., Т. 2 — 368 с.

Б и от е х н о л о г и я./[Р. Г. Бутенко, М. В. Гусев, А. Ф. Киркин и др.] — М.: Высшая школа, 1987.

Кн. 3. Клеточная инженерия. 1987. — 127 с.

Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/перевод с английского/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1988. — 479 с.

Биотехнология микробного синтеза/под ред. М. Е. Бекера — Рига: Зинатне, 1980. — 350 с.

Быков В. А., Винаров В. А., Шерстобитов В. В. Расчет процессов микробиологических производств. — Киев: Техника, 1985. — 244 с.

Виестур У. Э., Кристапсонс М. Ж., Б ы л и н к и н а Е. С. Культивирование микроорганизмов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 232 с.

Виестур У. Э., Ш м и т е И. А., Ж и л е в и ч А. В. Биотехнология. — Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987. — 263 с.

Воробьев Л. И. Техническая микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. — 94 с.

Д е б а б о в В. Г., Лившиц В. А. Биотехнология. — М.: Высшая школа, 1988.

Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов. 1988. — 208 с.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. — М.: Высшая школа, 1983. — 343с.

К о э н Ф. Регуляция ферментативной активности: перевод с английского/под ред. Л. М. Гинодмана. — М.: Мир, !986. — 144 с.

Л и е п и н ь ш Г. К-, Д у н ц е М. Э. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. — Рига: Зинатне, 1986. — 156 с.

Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клонирование. Методы генетической инженерии: перевод с английского/под ред. А. А. Баева, К- Г. Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 480 с.

Молекулярная биология. В 5 томах/Б. Альберте, Д. Брей, Дж. Люи'с и др.: перевод с английского под ред. Г. П. Георгиева. — М.: Мир, 1986, с. 197, 223, 231, 296, 1312.

Основы общей биологии/под ред. Э. Либберта: перевод с немецкого/под ред. В. А. Энгельгардта. — М.: Мир, 1982. — 437 с.

Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии/под ред. П. И. Рудницкого. — М.: Агропромиздат, 1985. — 287 с.

Прист Ф. Внеклеточные ферменты микроорганизмов: перевод с английского/под ред. В. К. Плакунова. — М.: Мир, 1987. — 118 с.

Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. Сборник: перевод с английского под ред. Г. К- Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 172 с.

Рис Э., Стернберг М. От клетки к молекулам. Иллюстрированное введение в молекулярную биологию: перевод с английского/под ред. Ю. С. Ло-зуркина, В. А. Ткачука. — М.: Мир, 1988. — 144 с.

Свенсон К., Уэбстер П. Клетка: перевод с английского/под ред. Т. Днепровского. — М.: Мир, 1980. —- 303 с.

Смирнов В. А. Пищевые кислоты. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. — 240 с.

Трансформация продуктов фотосинтез а/под ред. М. Е. Бекера. — Рига: Зннатне, 1984. -—250 с.

Уотсон Дж., Туэ Дж., Кур ц Д. Рекомбинантные ДНК: перевод с англ и некого/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1986. — 285 с.

Шлегель Г. Общая микробиология: перевод с немецкого/под ред. Е. М. Кондратьевой. — М.: Мир, 1987. — 566 с.

Basic biotechnology Ed. by John Bu'Lock and Bjern Kristiansen.— Acad. Press, London, Orlando San Diego, New York, Austin, Boston, Sydney Tokio, Toronto, 1987. — 561 p.

Hacking A. J. Economic aspects of biotechnology, Cambridge university press, 1986.— 306 p.

Sahm H. Anaerobic wastwater treatment. Advances in Biochemical Engineering (Biotechnology), vol. 29, 1984. — 84— 115 p.

The global 2000 report to the president: entering the twentyfirst century; including global future; time to act; vol. 1,2.— Blue Angel, Inc.. 1985. — 228 p.