7.9. Биотехнологии и их значение для защиты окружающей среды
Биотехнологии – это применение организмов, биологических систем или биологических процессов промышленности, в сельском хозяйстве и вспомогательных отраслях. Экологическая биотехнология – конкретное применение биотехнологии для решения экологических проблем, включая переработку отходов, борьбу с загрязнением окружающей среды, а также использование биотехнологии в сочетании с небиологическими технологиями. Важность вопросов охраны окружающей среды была подчеркнута Комитетом по прогнозированию и оценкам в науке и технике ЕС, который выделил экологическую биотехнологию в качестве одного из трех главных направлений программы Европейского биотехнологического общества. Развитие биотехнологии оказывает значительное влияние на расширение использования биотехнологических методов в процессах защиты окружающей среды. Одним из важных путей экологизации производства является расширение использования биологизированных технологий – применения живых организмов в биологических процессах для получения полезных продуктов и очищения окружающей природной среды.
Для экологизации производства необходимо, чтобы естественные биологические процессы не подавлялись и не вытеснялись техногенезом, а наоборот, занимали всё большее место в разных областях хозяйства, в том числе и в промышленном производстве. Создание сбалансированных природно-технических систем невозможно без производственных циклов, органично вписывающихся в природную систему. Естественные биологические процессы по сравнению с техногенными процессами не только более экологичны, но и экономичны. Эволюция природы давно нашла оптимальные варианты в метаболизме живых существ, обеспечив высокую экологичность их функций. Например, некоторые грибки применяются для нейтрализации токсичных побочных отходов бумажной промышленности. Другие микроорганизмы, населяющие свалки ядовитых отходов, расщепляют такие соединения, как полихлорированные бефенилы, на безвредные соединения. Биотехнологи изучают механизмы, с помощью которых населяющие устья рек микроорганизмы могли бы очищать воду от химических загрязнителей. Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бактерии и грибы, основное количество которых выделено из почвы и воды (рис. 7.35).
Рис.7.35. Трансформация ксенобиотиков в окружающей среде
Так, двухлористое соединение метана (СН4Cl2) и подобные канцерогенные химические вещества, выбрасываемые в окружающую среду, как и промышленные отходы, трансформируются в безвредную продукцию в результате разложения их в биореакторах. Институтом микробиологии РАН предложен способ очистки промышленных сточных вод (приборостроительных заводов, гальванических цехов, атомных электростанций и др.), содержащих ионы металлов и радионуклиды. В предлагаемой технологии в качестве сорбентов используются микробные биомассы (бактерии, дрожжи, грибы) и созданные на их основе твердые гранулированные биосорбенты. Они обладают высокой емкостью, что позволяет использовать их для очистки и доочистки промышленных растворов и сточных вод от токсичных металлов и радионуклидов (урана, радия, тория, плутония и др.).
Промышленные биотехнологии вносят существенный вклад в увеличение производства продуктов питания, кормов для животных, в повышение плодородия почв и т.д. Биологизация открывает новые возможности для качественного роста промышленного производства и развития сельского хозяйства.
В настоящее время с помощью микроорганизмов человек научился получать разнообразные органические вещества: этиловый, метиловый, бутиловый, изопропиловый спирты, ацетон и др. Микробы дают нам ценные кормовые и пищевые добавки, белки, аминокислоты, антибиотики, ферментные препараты, витамины, гормоны и множество других важных веществ. Специализированные микроорганизмы осуществляют гидролиз отходов растениеводства и животноводства и могут давать при этом дешёвое топливо – биогаз, в основном состоящий из метана. В то же время существуют так называемые метилтрофные дрожжеподобные организмы, которые образуют ценную биомассу (кормовой белок), используя метан в качестве источника питания и энергии. Другие бактерии – метанокисляющие – эффективно превращают этот газ в метиловый спирт, который служит сырьём для получения разнообразных полезных веществ, в том числе полноценного белка.
Наибольшее развитие получила технология биологической очистки сточных вод, в том числе от биогенных веществ. Все существующие на Земле природные органические соединения могут разлагаться одним из видов Pseudomonas. Различные виды этих бактерий способны вызывать превращение хлорорганических соединений, в том числе пестицидов, восстанавливать нитрогруппу нитроароматических соединений с последующим разрывом бензольного кольца, использовать капролактам в качестве единственного источника углерода и азота. Некоторые бактерии способны разрушать серосодержащие соединения, в частности поверхностно-активные вещества (ПАВ) – соли сложных эфиров серной кислоты и алкинсульфанаты. Широкие ферментативные возможности позволяют некоторым видам бактерий рода псевдомонас использовать соединения, применяемые в качестве антисептиков или дезинфекантов, такие как толуол, бензол, этилбензол, нафталин. Они разрушают каучук, резину, смазочные масла, усваивают газообразные углеводороды. В результате кометаболизма и соокисления активные илы, применяемые для биологической очистки, подвергают деструкции многие аналоги ДДТ.
В практике биологической очистки важное значение имеет деструкция серосодержащих органических соединений, которые весьма разнообразны как по химическому составу, так и по своему назначению.
Очень важную роль играют микроорганизмы в очистке вод от отходов молочной и целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве красителей и удобрений, в обеззараживании вредных газов. К этой группе относятся лигносульфиты и дурнопахнущие метилсернистые препараты, образующиеся при варке целлюлозы, лекарственные препараты, пестициды, ПАВ и многие другие соединения. Среди серосодержащих синтетических органических соединений особое место занимают ПАВ, так как практически они полностью попадают после использования в водоемы или почву.
Ввиду огромной роли, которую играют ПАВ в загрязнении окружающей среды, во всем мире уделяется большое внимание вопросу их разрушения в природных условиях и на очистных сооружениях. Все ПАВ до того, как получено разрешение на практическое использование, проходят проверку на резистентность. Большое внимание в настоящее время уделяется изучению возможностей применения ферментов для очистки сточных вод. В качестве источника ферментов используют разрушенные бактериальные клетки микроорганизмов-деструкторов и экстракты. Проводятся опыты по очистке сточных вод, содержащих клетчатку, капролактам и другие.
К активным деструкторам, часто встречающимся на очистных сооружениях, относятся представители Вacillus. Бактерии данного рода обладают наибольшей активностью при разложении капролактама, гексаметилендиамина. В деструкции трудноокисляемых соединений, в том числе углеводородов, большую роль играют актиномицеты.
Микробы разлагают и выводят из окружающей среды различные пластмассы, полимеры, моющие средства, помогают избавляться от загрязнения почвы и воды нефтью и продуктами её переработки, разными пестицидами. Некоторые микроорганизмы, в том числе микроскопические водоросли, способны улавливать и накапливать в относительно большом количестве редкие и драгоценные металлы.
Микроорганизмы осуществляют деструкцию неприродных соединений в различных процессах конструктивного и энергетического обмена, используя углерод, азот, серу, фосфор в качестве источников питания, окисляя соединения с получением энергии, используя только часть молекул субстрата и т.д. Особо следует отметить процесс кометаболизма и «соокисления». Кометаболизм – это способность микроорганизмов трансформировать органические соединения, не используя их. Он, как правило, наблюдается на богатых питательных средах. Явление «соокисления» заключается в том, что микроорганизмы не способны расти в среде, содержащей в качестве единственного источника углерода определенное органическое соединение, но способны окислять его вместе с другими. Многие трудноокисляемые соединения подвергаются деструкции в процессах кометаболизма и соокисления. Так, например, нитрохлорорганические соединения могут использоваться только при наличии в среде питательных веществ, которые пригодны для роста развития микроорганизмов.
Всё большее развитие получают биотехнологии, непосредственно связанные с защитой окружающей природной среды. К ним, например, можно отнести биодеградацию нефтяных загрязнений в технологических стоках. В последнее время большое внимание уделяется биологическим методам очистки загрязнённых нефтью природных вод и производственных стоков, основанных на применении гетеротрофных микроорганизмов, использующих нефть в качестве единственного источника углерода и энергии. Речь идёт об углеводородокисляющих микроорганизмах, которые выступают в роли основных минерализаторов нефти и нефтепродуктов. Успешно биодеградацию нефти и нефтепродуктов в природных сточных водах можно осуществлять в результате:
стимуляции естественной нефтеокисляющей микрофлоры природных вод путём внесения различных питательных элементов, включая источники минерального питания азота, фосфора и др.;
интродукции активных отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) в загрязнённую нефтепродуктами экосистему (создание оптимальных условий для их развития и стимуляции жизнедеятеятельности целенаправленным применением сопутствующих органических и неорганических соединений);
использования иммобилизованных клеток УОМ, обладающих высокой деструктирующей способностью нефти, нефтепродуктов и ксенобиотиков, и создания на их базе высокоэффективных бактериальных препаратов промышленного образца, обладающих широким спектром окисления различных классов углеводородов от Н-алканов до асфальтенов и смол включительно.
Экологическая биотехнология – это специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды.
К сфере экологической биотехнологии относятся следующие направления:
● биологическая очистка сточных вод;
● биообработка твёрдых отходов (утилизация, переработка ТБО, обезвреживание и ликвидация опасных промышленных отходов, очистка сточных вод);
● биологическая очистка воздуха от ароматических веществ;
● биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде;
● биологическая рекультивация земель, почв, загрязнённых отходами органической химии и нефтью:
● обеспечение возобновляемыми источниками энергии и сырья на основе органических отходов и биомассы (получение биогаза и других видов вторичного топлива, трансформация органических удобрений и др.);
● создание безопасных и эффективных средств биологической борьбы с болезнями и вредителями аграрных культур, альтернативных химическим пестицидам и гербицидам. Широкое распространение для защиты окружающей среды получили живые организмы – растения.
Биоиндикация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ.
Биотестирование – экспериментальная оценка влияния загрязнителей на организмы из фоновых чистых районов. Объектами биоиндикационных исследований могут быть отдельные виды флоры и фауны, а также экосистемы. Повторяясь, отметим, что некоторые хвойные породы деревьев чувствительны к радиоактивному загрязнению, лишайники – к тяжелым металлам, а многие представители почвенной фауны к промышленному загрязнению. Обычно хвойные леса используются для наблюдений в качестве критических экосистем по загрязнению окислами серы. Анализ наблюдений за такими объектами позволяет выявить экологические нарушения еще при таких уровнях загрязнения, которые не представляют опасности для населения, проживающего на данной территории, пишет С.С. Тимофеева (2004).
Методы биологической технологии обеспечивают более эффективное по сравнению с традиционными подходами обезвреживание разнообразных токсичных отходов, а также значительно снижают зависимость от таких методов утилизации, как сжигание и создание хранилищ токсичных отходов.
Но следует помнить, что каковы бы ни были усилия и старания человека защитить окружающую среду от собственной грязи с помощью технических средств, они ничтожны по сравнению со средорегулирующей и средоочищающей функцией самой биосферы и бережным отношением человека к собственной среде обитания [5].
Рассматривая роль биотехнологии в улучшении экологичекой ситуации на сельских территориях, необходимо обратить внимание на следующее. Прежде всего, биотехнология должна помочь сельскому хозяйству получать продукты питания с минимальным применением средств химизации. На основе достижений современной генетики и биотехнологии целесообразно создавать микробные препараты для борьбы с вредителями и болезнями аграрных культур, что позволит исключить применение ядохимикатов. Кроме того, представляется возможным изменить с помощью биотехнологии потребительские свойства сельскохозяйственных продуктов, с тем чтобы отпала необходимость применять для корма животных и птиц различные добавки химического или микробного синтеза (кормовые дрожжи, лизин, витамины и др.), производство которых связано с определенной экологической опасностью. Следует существенно расширить производство микробных препаратов, повышающих урожайность сельскохозяйственных растений и увеличивающих плодородие почвы, а также пробиотиков и биологических консервантов кормов. Для повышения плодородия почвы необходимо применять компостированные органические удобрения и обезвреженные путем метанового брожения жидких отходов животноводческих ферм. Биотехнология должна создавать рациональные и безвредные для человека и окружающей среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в более ценные товарные формы. Она призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов. Необходимо постоянно помнить о том, что биологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Важное значение сельскохозяйственного производства имеет утилизация органического вещества (навоза). Важным направлением утилизации навоза является переработка на кормовые цели, которую ведут несколькими путями: извлечение из навоза или помета кормовой (питательной) части; применение навоза в качестве питательный среды для производства кормовых дрожжей, выращивание личинок мух и водорослей; культивирование червей для получения кормового белка.
Наиболее известна французская технология переработки навоза КРС на кормовые добавки «Церико», основанная на выделении из навоза сырого протеина, углеводного (энергетического) вещества, биогенных элементов NPK. Сухое вещество экскрементов сельскохозяйственных животных содержит 20–25 % общей массы энергетического рациона и 16 % сырого протеина. В результате разных технологических операций переработки навоза получают продукт С1 – силос (влажность 60 %), в сухом веществе которого содержится, %, протеина – 7,3, жира – 2 %, клетчатки – 2,8, БЭВ – 51,7, золы – 11 %; продукт С2 – протеиновый концентрат (влажность 10 %), где в сухом веществе содержится, протеина 2,7 %, жира – 6, клетчатки – 2, БЭВ – 50 %, золы – 10 %; продукт С3 – органическое удобрение и технологическая вода. Продукты С1 и С2 и С3 используются как органическое удобрение.
Последние десятки лет особое внимание уделено к экологическим проблемам. Следовательно, появилась серьёзная необходимость поиска альтернативных методов утилизации разного рода отходов и рекультивация ранее нарушенных сельскохозяйственных угодий. Одним из них считается вермикультирование. Вермикультирование перспективным может стать при утилизации органических сточных вод (ОСВ) коммунального хозяйства. Но в этом направлении сдерживающим фактором использования вермикультивирования является содержание в ОСВ тяжелых металлов и других химических соединений, негативно влияющих на дождевых червей и другую почвенную биоту.
В городских условиях хорошо себя зарекомендовала переработка листового опада с помощью вермикультуры при дальнейшем использовании копролита в озеленительном хозяйстве. Установлена возможность переработки таким способом отходов тепличного хозяйства и последующим использованием полученного копролита в овощеводстве закрытого грунта.
В сельском хозяйстве для уничтожения насекомых, сорняков и болезней, из-за которых снижается урожайность выращиваемых культур, широко применяются химические препараты – пестициды. Но с помощью пестицидов не удается обеспечить полную защиту растений. Большое количество насекомых благодаря особому поведению и специфическому местообитанию остались неконтролируемыми, продолжают вредить посевам.
Вредители спасаются от химических средств защиты, вырабатывая устойчивость (резистентность) к определенным фунгицидам и инсекцидам.
В настоящее время в качестве промышленных биопестицидов находит применение ряд бактерий, грибов и вирусов. На сегодняшний день в мире выпускаются 50 биопрепаратов на основе бактерий, используемых для защиты от 160 видов насекомых, в том числе:
битоксибациллин – микробный препарат, используется в качестве биологического средства защиты от вредных жуков. Эффективен против колорадского жука, крестоцветных блошек и пьявицы;
бактокулицид – высокоэффективное лаврицидное средство от кровососущих комаров, мошек, рисового комарика непосредственно в водоемах, а также против личинок малярийного комара;
бактороденцид – микробный препарат, широко используют для борьбы с мышевидными грызунами, полевками, крысами – на посевах, в складах, в овощехранилищах.
Известно более 500 видов грибов, заражающих насекомых и клещей, причем больше всего полезных для человека видов относится к дейтеромицетам и фикомицетам. Грибы обычно заражают насекомых путем прямой инвазии и, следовательно, способны вредить своим хозяевам, не будучи ими съеденными. Одним из основных признаков грибов является их способность сполировать (давать споры) в мертвом теле хозяина. Таким способом они могут распространяться в популяции, вызывая эпизоотии. Широкое распространение (применение) в России получил биопрепарат под названием «Баверин», который используется против колорадского жука, гусениц бабочек соснового тутового шелкопряда, яблонной плодожорки, стеблевого мотылька, репной белянки, вредной черепашки и др. Создан также препарат энтомофторин, эффективный против тлей в условиях оранжерей и теплиц.
Выявлено 1200 вирусных болезней насекомых, из которых ¾ поражают чешуекрылых. Основное внимание здесь обращается на одну группу вирусов – возбудителей болезней насекомых – бакувирусов. В этой группе отсутствуют патогенные вирусы для позвоночных. Баковирусы – двухцепочечные ДНК-вирусы, среди которых к биопестицидам относятся представители трех групп: вирусы ядерного полиэдреза (ВЯП), вирусы гранулеза (ВГ) и фильтрующиеся. Наибольшее практическое значение имеют вирусы ядерного полиэдреза и вирусы гранулеза. На основе ВЯП созданы вирусные препараты для борьбы против капустной, озимой, хлопковой совок, непарного шелкопряда, американской белой бабочки, соснового пилильщика, яблонной плодожорки.