3365
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова
Экологическая безопасность биотехнологических процессов
Методические указания для самостоятельной работы студентов
по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология
Воронеж 2017
Брындина Л. В. Экологическая безопасность биотехнологических процессов: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология [Текст] / Брындина Л.В.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», – Воронеж, 2017. – 43 с.
Самостоятельная работа студентов по курсу «Экологическая безопасность биотехнологических процессов» включает изучение теоретического материала, работу с научной, учебной, методической литературой. В методических указаниях приведены вопросы для самостоятельной проработки теоретического материала. Приводится список литературы, необходимой для самостоятельной подготовки.
Самостоятельная работа способствует развитию у студента таких необходимых навыков, как выбор и решение поставленной задачи, сбор и аналитический анализ опубликованных данных, умение выделять главное и делать обоснованное заключение. Самостоятельная работа способствует развитию у студентов навыков самостоятельного исследования, научного и литературного саморедактирования.
Цель курса «Экологическая безопасность биотехнологических процессов» – сформировать современные представления об основных направлениях современной экобиотехнологии и перспективах ее развития; научить характеризовать основные типовые процессы, объекты и продукты биотехнологии, используемые для решения экологических проблем; научить оценивать потенциальную опасность биотехнологических объектов и знать способы предупреждения их попадания в окружающую среду.
Оценка результатов самостоятельной работы осуществляется в виде двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя. В качестве контрольных работ (при очном и заочном изучении) могут выполняться 2 домашних письменных задания в виде оформления наглядных схем по вопросам семинаров, тестов, или же написания реферата.
Тема 1. Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции. Применение биотехнологии в медицине, фармакологии и хозяйственных целях
В современном биотехнологическом производстве используют весьма широкий ассортимент биообъектов, классификация которых весьма сложна и наиболее рационально может быть выполнена на основе принципа их
соразмерности. В таблице 1 приведены биологические объекты, объединенные в 5 групп, причем, соразмерность в первых четырех имеет кратность в три порядка и только в пятой группе собраны биообъекты, отличающиеся по размерам от предшествующей (четвертой) группы всего на один порядок.
Таблица 1. Биообъекты, используемые при биотехнологических способах производства лекарственных (диагностических, лечебных и профилактических) средств:
1. Размер от 10 м до 1 см: человек, животные, растения-бионакопители сапонинов, алкалоидов и т.п.
2. Размер от 1 см до 1 мм: гигантские водоросли, каллусные культуры меристемы, культуры тканей, культуры клеток.
3. Размер от 1 мм до 1 мкм: клетки эукариот и прокариот в культуре, биопродуценты и биотрансформаторы.
4. Размер от 1 мкм до 1 нм: бактериофаги, вирусы, липосомы.
5. Размер менее 1 нм: ДНК, ферменты, макромолекулы-носители.
Требования, предъявляемые к биообъектам для реализации биотехнологических процессов: чистота, высокая скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.
К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, которые завершаются созданием с помощью биообъектов средств или веществ медицинского назначения. Это антибиотики, витамины, ферменты, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты и др.
Иммунобиотехнология объединяет производство вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, моноклональных антител и др. На основе иммунобиотехнологических процессов создаются также профилактические и лечебные средства, объединенные под эгидой медицинской биотехнологии. Вместе с тем, иммунобиотехнологические процессы по целевым продуктам вышли за пределы медицинского назначения, например, большинство ферментов, аминокислот и др. производятся не только для целей здравоохранения. Поэтому вычленение иммунобиотехнологии в качестве самостоятельной научной субдисциплины является обоснованным, и производственные процессы здесь четко ограничены использованием иммуной системы того или иного микроорганизма или еѐ отдельных компонентов (макрофаги, лимфоциты, различные иммуноглобулины).
Достижения приведенных выше направлений биотехнологии, медицинской биотехнологии и иммунобиотехнологии, позволяют говорить о
биотехнологии лекарственных средств. Действительно, если взять за основу анализа номенклатуру лекарственных средств Межведомственного экспертного совета (1990 г.), включающую 33 фармакотерапевтических группы препаратов, то, как минимум треть из них производится с использованием современных методов биотехнологии. В дальнейшем это направление исследований и разработок будет иметь тенденцию к неуклонному росту.
Вряде случаев только биотехнология позволяет решать те задачи, которые ставит перед фармацией практическая медицина. К примеру, только биотехнология открывает перед фармацевтической промышленностью возможность производить антибиотики, ряд незаменимых аминокислот, некоторые витамины, ферменты, гормоны, большую часть кровезаменителей
идр.
Вдругих случаях биотехнология используется как этап производства лекарственного средства. Обычно в таких ситуациях биотехнологическая стадия начинает технологический процесс (например, получение необходимой биомассы путем культивирования клеток меристемы лекарственных растений) как это имеет место при производстве диосгенина, аймалина и др.
Известны такие производства, в которых биотехнологический этап выступает в качестве промежуточного (перевод сорбита в сорбозу при получении витамина С в среде культивирования уксуснокислых бактерий).
При использовании биотехнологий в фармации их реализуют выращиванием культур тканей высших растений в виде каллуса, суспензионным культивированием клеток животных и растений, культивированием химерных клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции. Кроме того, биотехнологии могут успешно конкурировать с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственного средства, а
в ряде случаев (например, синтез витамина В12) в состоянии обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6-диметилбензимидазола) в конечный продукт (цианкобаламин).
Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.). Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются ферментные препараты, продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ
имногокомпонентные добавки.
С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие.
Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия - протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.
Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.
Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов.
Вопросы для самоконтроля
1.Перечислите основные виды объектов, используемые в биотехнологии.
2.Расскажите о вирусах, их классификации и значении.
3.Какие клеточные структуры являются обязательными для бактерий?
4.Образование каких биотехнологических продуктов происходит с использованием бактерий?
5.Приведите примеры продуктов грибного происхождения, получаемых методами биотехнологии.
6.Перечислите возможности использования клеток высших растений в биотехнологии.
7.Что такое БАВ и какова их роль?
8.Расскажите о продуктах биотехнологии, получаемых из культур клеток и тканей высших растений.
9. Для каких целей используют культуры клеток животных?
Тема 2. Применение биотехнологии в охране природы. Аэробная и анаэробная очистка сточных вод
Антропогенное воздействие на окружающую среду неуклонно возрастает. Из-за перегруженности и низкого качества работы очистных сооружений продолжается сброс в водные объекты неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод. Ежегодно организациями водопроводно-канализационного хозяйства в водные объекты сбрасывается
около 2050,1 млн. м3 загрязненных сточных вод, из них 1875,8 млн. м3 без очистки. Из общего количества загрязненных сточных вод до нормативных требований очищаются около 8 % .
Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток О2 и температура 20-400 С. Микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.
Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, редко – личинками насекомых, рачков, а также водорослями. Биопленка растет на наполнителях биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Процессы аэробной переработки сточных вод идут в сооружениях называемых аэротенками.
Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации. Здесь обитают колонии микроорганизмы (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил «отдыхает» (регенерируется).
Важной характеристикой работы аэротенка является нагрузка на активный ил, которая определяется как отношение массы поступающих в реактор за сутки загрязнений к абсолютно сухой или беззольной биомассе активного ила, находящегося в реакторе. По нагрузке на активный ил аэробные системы очистки делятся на :
высоконагружаемые аэробные системы очистки стоков при N > 0,5 кг
БПК(показатель биохимического потребления кислорода)5 в сутки на 1 кг ила;
средненагружаемые аэробные системы очистки стоков при 0,2 < N< 0,5;
низконагружаемые аэробные системы при 0,07 < N < 0,2;
аэробные системы продленной аэрации при N < 0,07.
Активный ил – это смесь биомассы микроорганизмов и загрязняющих веществ с поступающими в аэротанк сточных вод. Видовой состав активного ила (АИ) прежде всего, зависит от состава поступающих в аэротэнк стоков.
Количество микрофлоры активного ила – это есть биомасса. Видовой состав активного ила (биомассы) включает в себя бактерии, простейшие, микроскопические грибы (актиномицеты), амебы, инфузории, коловратки, черви (нематоды)и т.д. Простейшие микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности поедают бактерии, что способствует омолаживанию популяции и приросту активного ила. Ил начинает испытывать недостаток кислорода – «голодать», что приводит к ухудшению результата его деятельности и ухудшению очистки сточных вод. Поэтому в процессе эксплуатации требуется постоянно выводить из аэрационной системы
излишки активного ила. Однако следует помнить, что слишком большое снижение концентрации ила может вызвать перегрузку микроорганизмов, в результате чего снизится их активность, а следовательно, ухудшится качество очистки воды. Увеличение концентрации ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации, для поддержания концентрации кислорода на необходимом уровне.
Таким образом, аэробная переработка стоков включает в себя следующие стадии:
1.Адсорбция субстрата на клеточной поверхности;
2.Расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;
3.Поглощение растворенных веществ клетками;
4)рост и эндогенное дыхание;
5)высвобождение экскретируемых продуктов;
6)"выедание"первичной популяции организмов вторичными потребителями.
Видеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. На практике очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила возвращается в систему очистки, а избыток активного ила, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на поля. Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем. Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.
Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии активного ила чистым кислородом. Этот процесс можно осуществить в модифицированных аэротенках закрытого типа - окситенках, с принудительной аэрацией сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах (или перколяционных фильтрах) клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя.
Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.
Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного ценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей.
Недостатками этого метода можно считать:
нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей;
необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной скоростью;
сточные воды перед подачей должны быть освобождены от взвешенных частиц во избежание заиливания.
Анаэробные методы очистки протекают без доступа О2 (процесс брожения), их используют для обезвреживания осадков. Анаэробные
процессы происходят в, так называемых, метантенках. Метантенк (метан + англ. tank резервуар) - сооружение для сбраживания сточных вод, представляющее собой закрытый резервуар, снабженный устройством для подогрева за счет сжигания выделяющегося метана.
Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков.
Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.
Еще одним преимуществом анаэробных реакторов является минимальное количество оборудования, необходимого для нормальной работы реактора.
Но в то же время анаэробные установки выделяют продукт жизнедеятельности микроорганизмов – метан, поэтому нужно постоянно следить за его концентрацией в воздухе.
Все указанные выше методы используются только до определенного уровня концентрации загрязняющих веществ в сточных водах. Прежде чем сбросить отработанную воду в водоем, ей необходимо пройти 3-4 ступени очистки. Кроме этого иногда помимо биологической очистки требуется ионизация или ультрафиолетовое облучение.
При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов должны быть последовательно реализованы 4 стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/ жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ.
Избыток активного ила как уже говорилось может перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах - метатенках.
Распад органических веществ состоит из трех этапов:
растворение и гидролиз органических соединений;
ацидогенез;
метаногенез.
На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород,
углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.
Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.
Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.
Анаэробная очистка сточных вод имеет определенные преимущества и недостатки:
в процессе не образуется много избыточного активного ила, следовательно, нет проблем с его утилизацией;
89% энергии процесса идет на выработку метана;
такой способ очистки возможен только при небольших концентрациях субстрата;
достаточно небольшая скорость прироста биомассы;
более простое устройство оборудование по сравнению с аэробной очисткой.
Вышеуказанный метод применим, когда концентрация определенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например, озонированием или УФ-облучением).
Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана.
Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует относить невозможность удаления органических загрязнений в низких