Окружающая среда и биотехнология

Д. Бест, Дж. Джонс, д. Стаффорд

1. Введение

С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятель­ности человека постоянно происходили изменения физических, химических и биологических свойств окружающей среды, при­чем многие из этих изменений были весьма неблагоприятны. Мы ожидаем, что биотехнология будет оказывать многообраз­ное и все возрастающее влияние на способы контроля за ок­ружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером та­кого рода служит внедрение новых, более совершенных методов переработки отходов, однако этим применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается. Она будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве и поможет хотя бы отчасти решить многие из су­ществующих здесь проблем.

В этой главе мы рассмотрим проблему переработки отхо­дов как в исторической перспективе, так и в плане той роли, которую биотехнология уже играет и будет играть в этой сфе­ре. Мы остановимся также на применении биотехнологии в борьбе против недавно возникшей для окружающей среды угрозы — распространения ксенобиотиков и нефтяных загряз­нений.

Сегодня быстро развиваются разнообразные отрасли про­мышленности, в которых процессы жизнедеятельности микроор­ганизмов используются для создания замкнутых систем, для контроля за загрязнением сточных вод, для использования альтернативных энергоресурсов и химического сырья в про­мышленности;-эти процессы широко используются и в сельском хозяйстве. В развивающихся странах подобная деятельность, известная под названием «целенаправленная технология», могла бы привести к значительному повышению жизненного уровня и — что еще более важно повышению качества жиз­ни многих миллионов людей. Масштабы некоторых из этих но­вых биотехнологических процессов и их применение для реше­ния задач охраны окружающей среды могут быть совершенно ошеломляющими. Так, для переработки отходов уже построены огромные биореакторы емкостью 4000—5000 м³. Поскольку концентрация бактерий в таком реакторе может быть порядка 10⁸—10⁹ клеток в 1 мл, биотехнологи получают в свое распоря­жение достаточно мощный источник «биологической энергии».

Биологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин — биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех основных на­правлениях: 1) деградация органических и неорганических ток­сичных отходов; 2) возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы; 3) по­лучение ценных видов органического топлива.

2. Переработка отходов

Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатыва­лись естественным путем, при участии соответствующих микро­организмов. В наиболее широко распространенных установках для очистки сточных вод выполняются четыре основные опе­рации (рис. 6.1).

1. При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо отбрасываются, либо направляются в реактор.

2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии природных аэробных микро­организмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в ре­актор. По технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тэнк.

3. На третьем этапе (необязательном) производится хими­ческое осаждение и разделение фосфора и азота.

4. Для переработки ила, образующегося на первом и вто­ром этапах, обычно используется процесс анаэробного разло­жения. При этом уменьшается объем осадка и количество па­тогенов, устраняется запах, а кроме того, образуется ценное органическое топливо — метан.

Сходные процессы применяют при переработке промышлен­ных сточных вод, особенно в химической, пищевой, целлюлоз­но-бумажной промышленности. Поэтому совершенно очевидно, что любые биотехнологические усовершенствования этих про­цессов найдут немедленное применение в промышленности. Та­кие усовершенствования могут быть направлены на увеличение мощности перерабатывающих установок, повышение выхода полезных побочных продуктов, на замену обычно применяе

-Вторичная переработка

Первичная переработка