3407
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова
Экологическая биотехнология
методические указания к практическим занятиям для студентов
по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология
Воронеж 2017
Экологическая биотехнология : методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 19.03.01
– Биотехнология [Текст] / Л.В. Брындина. М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», – Воронеж, 2017. – 44 с. ЭБС ВГЛТУ.
Практическая работа № 1. Антропогенные факторы загрязнения, их перенос, абиотическая и биотическая трансформация, воздействие
на экосистемы……………………………………………………………..
Практическая работа № 2.
Теоретические основы экологических методов утилизации……………
Практическая работа № 3.
Направления использования микроорганизмов для защиты окружающей среды (6ч.)…………………………………………………..
Практическая работа № 4.
Способы очистки сточных вод. Оценка их эффективности (8ч.)………
Практическая работа № 5.
Очистка промышленных выбросов в атмосферу(6ч.)……………………
Практическая работа № 6.
Определение класса опасности отходов (6ч.)…………………………….
Практическая работа № 7.
Нормативное обеспечение безопасности биотехнологических производств (6ч.)……………………………………………………………
Практическая работа №1
Антропогенные факторы загрязнения, их перенос, абиотическая и биотическая трансформация, воздействие на экосистемы
Цель: изучить теоретические аспекты роли антропогенных факторов в экологии; результаты их воздействия на биосферу. Познакомиться с проблемами современной экологии и путями их решения; изучить влияние антропогенных факторов на экологию.
Вопросы, подлежащие обсуждению:
1.Экологические факторы. Их классификация.
2.Понятие абиотических факторов, влияние на экосистемы.
3.Понятие биотических факторов, влияние на экосистемы.
4.Понятие антропогенных факторов, влияние на экосистемы.
5.Какие из современных антропогенных факторов оказывают наиболее сильное влияние на жизнь биосферы? В чѐм проявляется это влияние?
Общие указания
Комплекс окружающих условий, влияющих на жизнедеятельность организмов, складывается из разнообразных элементов - факторов среды. Под факторами среды понимают экологические факторы, т.е. воздействие условий среды, на которые живое реагирует приспособительными реакциями.
Экологические факторы – существенные свойства окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на сообщества живых организмов в экосистеме и на состояние экосистемы в целом.
Классификация экологических факторов
По типу взаимодействия:
-биотические (факторы живой природы);
-абиотические (факторы неживой природы);
-антропогенные, связанные с деятельностью человеческого общества, которые включают социально-экономические, культурные и другие факторы. По характеру воздействий:
-периодические (природные явления, обусловленные вращением Земли: смена времен года, суточная смена освещенности, суточные, сезонные и вековые изменения температуры и осадков, динамика растительной пищи (для животных) и др.).
-непериодические (экологические факторы, не имеющие выраженной цикличности, например, химический состав и механические характеристики почвы, атмосферного воздуха или воды).
Абиотические факторы. Эту группу составляют компоненты и явления неживой, неорганической природы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы.
Биотические факторы - совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на состояние неживых компонент среды обитания.
Антропогенные факторы - отражают воздействие человека, как на живые организмы, так и на абиотические факторы среды обитания. Антропогенные факторы – это совокупность экологических факторов, обусловленных случайной или преднамеренной деятельностью человека и вызывающих существенное воздействие на структуру и функционирование экосистем, а также на деградацию биосферы.
Абиотические факторы
Среди множества абиотических факторов главную роль играют климатические, эдафические (почвенные), орографические (рельеф), гидрографические (водная среда), химические, пирогенные.
Главную роль среди них играют климатические(солнечная радиация, световой режим, температура, влажность, осадки, ветер, давление и др.); затем идут почвенные, или эдафические (от греч. эдафос – почва), важные для обитающих в почве организмов; и, наконец, факторы водной среды.
Солнечная радиация является основой фотосинтеза. Кроме того, она определяет термический режим биосферы Земли, изменение которого в направлении от экватора к полюсам вызывает как климатическую зональность, так и существование на нашей планете крупных зональных типов растительности (тундра, тайга, степи, пустыни, влажные тропические леса и др.). На состояние экосистем разных климатических зон непосредственное влияние оказывают и другие абиотические факторы среды:
-температура,
-влажность,
-осадки,
-тип почв и т.п., влияние которых в комплексе приводит к смене природных ландшафтов, создающих существенные различия в условиях обитания организмов.
Почвенные экологические факторы. Известно, что почва – трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Важным
показателем состояния почвы является кислотность – величина
концентрации ионов водорода (рН). Различные виды приспособились к определенным величинам показателя рН: одни предпочитают кислую среду, другие – щелочную, а третьи – нейтральную. Многие животные и растения очень чувствительны к малейшим изменениям рН.
Абиотические факторы водной среды, называемые гидрографическими, определяются физическими и химическими свойствами воды как среды обитания живых организмов (гидробионтов). На характер пространственного распределения гидробионтов оказывают влияние соленость, плотность, световой режим, температура и др. Например, соленость играет важную роль в существовании разных видов организмов: пресноводные виды не могут жить в морской воде, а морские – в пресной. Не менее важна роль светового режима. Так, водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубинах до 20 – 50 м, привлекая как источник питания различные виды морских животных.
Биотические факторы
Однако не только окружающая среда влияет на рост и развитие организмов. Сами живые организмы находятся в постоянных взаимоотношениях между собой. Совокупность таких взаимоотношений, взаимовлияний одних организмов на жизнедеятельность других, а также и на неживую среду обитания, носит название биотических факторов. Среди основных биотических факторов можно отметить факторы фитогенные (от греч. «фитон» - растение) и зоогенные (от греч. «зоон» - животное). К этой же группе биотических факторов можно отнести и интенсивное влияние человека (непосредственно) или человеческой деятельности (опосредованно) на окружающую среду и живые организмы. Такие факторы воздействия на окружающую среду носят название антропогенные (от греч. «антропос» - человек).
Биотические факторы среды проявляются через взаимоотношения организмов, входящих в одно сообщество. В природе многие виды тесно взаимосвязаны, и их отношения друг к другу как к компонентам окружающей среды могут носить чрезвычайно сложный характер.
Разнообразные взаимодействия между животными, растениями и микроорганизмами в экосистеме подразделяются на:
-прямые взаимодействия, связанные с непосредственным воздействием одних организмов на другие;
-косвенные, когда, например, растения своим присутствием изменяют режим действия абиотических факторов среды для других растений, животных и микроорганизмов.
Так, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую растительность под кронами. В общем, любое растительное сообщество существенно влияет на совокупность абиотических характеристик среды. Известно, что различные абиотические факторы в пределах лесного ландшафта существенно отличаются при схожести климатических условий от этих же факторов в условиях степных ландшафтов.
Важнейшим биотическим фактором является пища. Пищевой фактор может рассматриваться с разных точек зрения: количество, доступность, химический состав, пищевая ценность и др. Любой вид животного или растения обладает достаточно четкой избирательностью к составу пищи. Так, каждому растению необходим определенный набор минеральных веществ.
Пищевые взаимоотношения среди животных отличаются значительной сложностью. По способу доступа к пище наиболее распространены два типа взаимоотношений: хищничество и паразитизм.
-хищничество проявляется в преследовании и поедании одних видов организмов другими, например, растительноядных копытных – плотоядными хищниками, насекомых – птицами, мелких рыб – более крупными.
-паразитизм также проявляется в различных формах. В самом общем случае организм-паразит живет постоянно на теле или внутри тела другого организма – хозяина. С экологических позиций хищник и жертва, паразит и хозяин взаимно необходимы друг другу и их сосуществование составляет основу существования экосистемы.
Антропогенные факторы
Загрязнение среды промышленными и бытовыми отходами вызывает серьѐзные сдвиги в экологическом равновесии, приводит к деградации сообществ организмов — биоценозов, которые складывались и эволюционировали тысячелетиями. Увеличивая продуктивность земель, человек на месте естественных природных комплексов создал для культурных растений и домашних животных практически новую среду, новые сообщества организмов — агробиоценозы. Ныне на Земле трудно найти участки, так или иначе не затронутые деятельностью человека.
Мощное по масштабам и возможным последствиям воздействие человека на природу поставило человечество перед необходимостью принятия научно разработанных мер по сохранению и рациональному использованию ресурсов биосферы.
Различают четыре вида основных антропогенных факторов, которые проявляются в изменениях:
-структуры земной поверхности;
-состава биосферы, круговорота и баланса входящего в нее вещества;
-энергетического и теплового баланса отдельных участков и регионов;
-вносимых в биоту (исторически сложившийся комплекс живых организмов какой-либо территории).
Воздействие человека может быть как прямым, так и опосредованным:
1)косвенное воздействие осуществляется путем изменения ландшафтов, климата, физического состояния и химизма атмосферы и водоемов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного населения. Человек сознательно и бессознательно истребляет или вытесняет одни виды растений и животных, распространяет другие или создает для них благоприятные условия. Для культурных растений и домашних животных человек создал в значительной степени новую среду, многократно увеличив продуктивность освоенных земель. Но это исключило возможность существования многих диких видов. Неправильная распашка земель и неумеренный выпас скота не только привели к гибели естественных сообществ, но и усилили водную и ветровую эрозию почв и обмеление рек.
2)прямое воздействие направлено непосредственно на живые организмы. Например, нерациональные рыболовство и охота резко сократили численность ряда видов. Нарастающая сила и убыстряющиеся темпы изменения природы человеком вызывают необходимость ее охраны.
Изменения, производимые человеком в природной среде, создают для одних видов благоприятные условия для размножения и развития, для других
-неблагоприятные. И, как результат, между видами создаются новые численные отношения, перестраиваются пищевые цепи, возникают приспособления, необходимые для существования организмов в измененной среде.
Таким образом, проблема воздействия антропогенных факторов в экологии остаѐтся в центре современной науки и нуждается в дальнейшем развитии.
К антропогенным факторам относятся такие виды: 1. Химические.
2. Физические.
3. Биологические.
4. Социальные.
Химические антропогенные факторы включают применение минеральных удобрений и ядовитых химических веществ для обработки полей, а также загрязнение всех земных оболочек транспортными и промышленными отходами. К физическим факторам можно отнести использование ядерной энергии, повышение уровня шума и вибрации в
результате деятельности человека, в частности при использовании
разнообразных средств передвижения. Биологические факторы - это продукты питания. К ним также относятся организмы, которые могут обитать в теле человека или те, для которых человек потенциально является пищей. Социальные факторы определяются совместным существованием людей в обществе и их взаимоотношениями.
Практическая работа № 2.
Теоретические основы экологических методов утилизации
Цель: изучить основные методы утилизации отходов биотехнологической промышленности.
Вопросы, подлежащие обсуждению:
1.Проблемы, возникающие при утилизации биотехнологических отходов.
2.Утилизация твердых биотехнологических отходов.
3.Утилизация жидких биотехнологических отходов.
4.Газообразные отходы.
Общие указания
Биотехнологическое производство наукоемко и по сравнению с химико-технологическим производством более эффективно, так как клетка продуцента (биообъекта) представляет «сбалансированный комплекс биокатализаторов», работающий более производительно, чем системы последовательных химических реакций с неорганическими катализаторами.
Потребление энергоресурсов и воды биотехнологической промышленностью составляет доли процента от потребляемого современной химической промышленностью. Выброс в атмосферу газообразных отходов предприятий биотехнологической промышленности не превышает и десятой доли процента от выброса промышленностью в целом. Именно биотехнологическое производство наиболее приемлемо в современных условиях, однако и оно имеет специфические, экологические проблемы и, соответственно, совершенствуется в направлениях:
•создания и использования более активных биообъектов-продуцентов (в результате на единицу продукции будет меньше отходов!);
•замены сред и реагентов на менее дефицитные;
•иммобилизации биообъектов (как клеток, так и ферментов), многократного их использования для уменьшения отходов;
•внедрения мембранной технологии на стадии выделения и очистки целевого продукта (уменьшение количества применяемых органических
растворителей во избежание агрессивных условий на некоторых стадиях производственного процесса);
• соблюдения правил GMP.
Рассмотрим кратко проблемы, относящиеся к ликвидации (утилизации) или очистки производственных отходов традиционного биотехнологического предприятия.
Твердые отходы. Прежде всего, к ним относится мицелий (биомасса) продуцента после его отделения от культуральной жидкости и целевого продукта. О количестве мицелия, с которым приходится иметь дело, можно получить наглядное представление исходя из того, что объем слива промышленного ферментера — это 50— 100 м3 густой, вязкой (из-за наличия мицелия) жидкости. Учитывая, что на предприятии имеется ряд ферментеров, а ферментационный цикл длится около недели, можно сделать вывод, что этот вид твердых отходов на одном (крупном) предприятии составляет сотни тонн в год. При этом необходимо учитывать, что мицелий содержит и остаточные количества целевого продукта, а это, как правило, биологически высокоактивные вещества.
Внастоящее время твердые отходы ликвидируют путем переработки мицелия. Его перемешивают с почвой и помещают в ямы с бетонными подложками. Каждую такую яму оставляют закрытой на несколько лет. За это время почвенные микроорганизмы подвергают
органические вещества мицелия ферментативному расщеплению, используя их для построения «своей» биомассы. Фактически образуется компост, органическая часть мицелия при этом разлагается. Бетонная подложка в такого рода «компостных ямах» необходима, чтобы предотвратить попадание еще неразложившихся растворимых органических веществ мицелия в грунтовые воды и водоемы с дождевой водой. Обычно для компостных ям выделяют специальные участки на территории предприятия. Отметим, что вывоз подсушенного мицелия (его масса по сравнению с первоначальной уменьшается в 10—100 раз) на общегородские свалки запрещен.
Попытки применения мицелия для тех или иных целей в целом пока не увенчались успехом, однако в лабораторных условиях уже создана малоотходная технология. Из мицелия актиномицета продуцента тетрациклина извлекалась суммарная липидная фракция и использовалась как пеногаситель в следующем производственном цикле при получении тетрациклина, образуемого продуцентом, принадлежащем к тому же штамму.
Внекоторых случаях (при ограниченности пастбищ) простерилизованную и перемолотую биомассу некоторых микроорганизмов используют в качестве добавки в корм сельскохозяйственных животных. Мицелий грибов и