Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. П. Трошкова, Е. К. Емельянова, Н. О. Карабинцева

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Учебное пособие

НОВОСИБИРСК

2011

УДК 577.2+574(075) ББК 28.081

Т76

Рецензенты

зав. лабораторией микологии ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора д-р биол. наук, проф.

Т. В. Теплякова

зав. кафедрой экологии НГМУ д-р биол. наук, проф.

Н. Г. Никифорова

Трошкова,Г.П.

Т76 Экологическая биотехнология : учеб. пособие / Г. П. Трошкова, Е.К.Емельянова,Н.О.Карабинцева.—Новосибирск:Сибмедиздат НГМУ,2011.—144с.

В пособии рассматриваются вопросы, посвященные очистке загрязнений и переработке отходов с помощью биологических объектов.

Для студентов вузов медицинской направленности, обучающихся по специальностям «Экология», «Биоэкология», «Биотехнология», аспирантов, а также специалистов-биотехнологов, экологов, микробиологов.

УДК 577.2+574(075) ББК 28.081

©Трошкова Г. П., Емельянова Е. К., Карабинцева Н. О., 2011

©НГМУ, 2011

Оглавление

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1. Понятие биодеструкции, биотрансформации и биодоступности. Микроорганизмы-деструкторы . . . . . . . . . . 10 1.1. Биодеструкция, биотрансформация и биодос-

тупность. . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.Микроорганизмы-деструкторы. . . . . . . . . 13

2.Особенности микробиологической трансформации

отдельных классов органических ксенобиотиков . . . . . . 21 2.1. Разложение нефти и нефтепродуктов . . . . . . . . . . . 21 2.2. Биодеградация ПАВ. . . . . . . . . . . . . 30

2.3.Разложение ПАУ. . . . . . . . . . . . . 33

2.4.Биотрансформация галогенсодержащих орга-

нических соединений. . . . . . . . . . . . 35 2.5. Разложение пестицидов . . . . . . . . . . . 39

4.4.Экологические факторы, определяющие развитие и функционирование биоценоза активного

ила. . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3

Предисловие

Экологическая биотехнология — один из разделов биотехнологии, посвященный решению задач охраны окружающей среды и рационального природопользования с применением биологических систем и процессов. Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов, очистку стоков и газовоздушных выбросов, деструкцию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воспроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых.

Настоящее пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Экология», «Биоэкология», «Биотехнология», аспирантов, учителей школ, биотехнологов, экологов, микробиологов. В нем изложены вопросы функционирования и регуляции природных и искусственных экосистем, рассмотрены понятия биотрансформации, биодеструкции, биодоступности ксенобиотиков, особенности биотрансформации отдельных классов органических соединений, тяжелых металлов. Большое значение уделено темам очистки и ремедиации природных объектов окружающей среды методами биотехнологии, микробиологической переработке твердых отходов, очистке и дезодорации газовоздушных выбросов, компостированию и биодеградации отходов сельского хозяйства, вермикультивированию. Особое внимание уделено микроорганизмам — деструкторам нефтепродуктов, ПАВ, пестицидов, галогенсодержащих органических соединений, а также входящих в состав активного ила, био-

5

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая биотехнология направлена на охрану окружающей среды с использованием живых организмов, которые способны перерабатывать отходы производств, очищать природные среды от техногенных загрязнений, восстанавливать плодородие почв, заменить инсектициды и химические вещества — стимуляторы роста растений. Методы экологической биотехнологии обеспечивают более эффективное, по сравнению с традиционными, обезвреживание и утилизацию токсикантов, позволяют сохранить территории, которые могут быть занятыми полигонами и хранилищами отходов.

В экобиотехнологии применяются ставшие уже традиционными методы (биологическая очистка сточных вод, компостирование), а также сравнительно новые, используемые для очистки газовоздушных выбросов, донного ила, осадков. Биотехнологические способы очистки природных сред, в частности почв и грунта, от загрязнений, обезвреживания токсичных отходов в природных средах называются методами биоремедиации.

Уничтожение токсичных и трудноразлагаемых отходов с помощью захоронения привело к их накоплению в мировом океане, грунтах. Требуются новые эффективные методы их утилизации, при этом роль биотехнологических способов борьбы с загрязнениями в настоящее время продолжает возрастать. Биотехнология позволяет решать задачи охраны окружающей среды и предотвращать образование и накопление загрязнений.

Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла еще 5000 лет назад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были непригодны для питья, поэтому сооружались акведуки для снабжения населения свежей водой (знаменитый римский водопровод был построен за 400 или 500 лет до н. э.), а нечистоты удаляли в море по сточ-

7

ным каналам. Для Европы эта проблема стала актуальной в Средние века. В крупных городах строительство канaлизационных сетей началось с середины XIX в. Способы очистки сточных вод постепенно совершенствовались. Первоначально их спускали в открытые канавы и затем подвергали механической очистке в бассейнах-отстойниках (очистных прудах). Затем стали использовать для обезвреживания сточных вод специально подготовленные поля (поля орошения). На полях орошения и очистных прудах сточные воды очищаются в условиях, близких к естественным. Эти способы применяют до сих пор для очистки промышленных и городских стоков. Биологическая очистка сточных вод с помощью микроорганизмов была предложена

в1865 г. А. Мюллером.

Впериод интенсивного роста промышленности в середине прошлого века стала очевидна необходимость создания очистных сооружений на промышленных предприятиях, поскольку сточные воды, сбрасываемые без очистки в водоемы, отравляли биоту и представляли серьезную угрозу для здоровья людей. Стоки и загрязнения, попадающие в питьевую воду, были причиной различных заболеваний населения и домашнего скота. Примерно в это же время в крупных промышленных городах загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами достигло критического уровня, что стимулировало развитие методов очистки газов и контроля газовоздушных выбросов. Интенсивное ведение сельского хозяйства, сопровождающееся падением урожайности, эрозией почвы, уменьшением содержания гумуса в пахотных почвах, преобразование естественных экосистем в техно- и урбосистемы потребовало необходмости проведения биовосстановительных работ, реабилитации территорий, благоустройства ландшафтов, так как естественные процессы самоочищения были нарушены. Возникли методы рекультивации, реабилитации, мелиорации почв.

Для улучшения качества почв, повышения их плодородия начали разрабатывать процессы ремедиации (от англ. remediation — излечи-

вание, исправление, реабилитация) — удаления загрязнений и восстановление мультифункциональности природных сред способами, безопасными для экосистем и человека.

Биологические способы разложения загрязнителей с помощью микроорганизмовположенывосновуочисткисточныхводваэротенках, на биофильтрах, анаэробного сбраживания органических отхо-

8

дов в метантенках и реакторах других конструкций, дезодорации газов, ремедиации почв. Удаление избыточного содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, для предотвращения эвтрофикации водоемов достигается применением растений на полях фильтрации. С помощью биотехнологии отходы производства представляется возможным трансформировать в полезные продукты в процессах силосования и компостирования, обезвреживания активного ила, осадков сточных вод и водоемов, вермикультивирования (использования дождевых червей).

Одно из направлений экологической биотехнологии — борьба с микробиологической коррозией и биоповреждениями, биозащита, создание новых эффективных биоцидов. Находят широкое применение биоагенты, регулирующие численность насекомых-вредителей сельского хозяйства, PGPR*-штаммы бактерий в качестве стимуляторов роста растений, обеспечивающие защиту от патогенных микроорганизмов, азотфиксирующие микроорагнизмы в качестве биоудобрений.

Для нужд экобиотехнологии созданы рекомбинантные микроорганизмы, способные активно разлагать многие загрязнения, как природные биополимеры и их аналоги, так и ксенобиотики (нефть

инефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), поверхностно-активные вещества (ПАВ), хлорорганические соединения, тринитротолуол и др.), которые считались ранее устойчивыми к биодеградации. Применение живых биообъектов, в отличие от физико-химических способов очистки и восстановления сред, является более приемлемым с точки зрения экологии. Это связано с тем, что такие организмы включаются в трофические цепи питания, природный круговорот веществ без образования отходов

ис помощью кометаболизма способны полностью минерализовать органические загрязнения.

*PGPR — Plant Growth Promoting Rhizobacteria.

9

ПОНЯТИЕ БИОДЕСТРУКЦИИ, БИОТРАНСФОР- 1 МАЦИИ, И БИОДОСТУПНОСТИ.

МИКРООРГАНИЗМЫ-ДЕСТРУКТОРЫ

1.1. Биодеструкция, биотрансформация и биодоступность

Поступающие в окружающей среду ксенобиотики подвергаюся биообезвреживанию несколькими путями (рис. 1). В зависимости от конечного результата превращения тех или иных веществ различают полную деградацию (минерализацию, полную деструкцию), неполную деградацию (трансформацию, частичную минерализацию, частичную деструкцию), связывание поллютантов или их метаболитов с другим веществом — матрицей (полимеризация, конъюгация, конденсация).

Биодеструкция (биоразрушение, биодеградация) — это превра-

щение сложных веществ с помощью биологических агентов (живых организмов). Основными биологическими агентами, которые осуществляют биодеструкцию, являются микроорганизмы, имеющие огромное разнообразие ферментных систем и большую лабильность метаболизма. Именно они способны разлагать широкий спектр химически стойких соединений, тем самым возвращая основные пищевые элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли.

Полная деградация соединения микроорганизмами происходит в случае, если оно обладает свойством биодоступности (способно использоваться в качестве источника углерода и энергии или в процессах кометаболизма). Полное разрушение стойких органических ксенобиотиковвприродепроисходит,какправило,врезультатесовместногодействиясообществаорганизмовиабиотическихфакторов.Микробная минерализация является наиболее эффективным и экологи-

10