4.5.Специализированные биопрепараты

4.5.1. Биопрепараты и их получение

Среди биопрепаратов, разработанных для решения задач охраны окружающей среды, можно выделить следующие группы по их назначению:

для ликвидации загрязнений;

для рекультивации территорий и восстановления плодородия почв;

для переработки отходов;

для очистки природных водоемов;

для биомониторинга и биотестирования.

Специализированные биопрепараты для ликвидации аварийных загрязнений, очистки загрязненных территорий, оборудования, переработки отходов, использования в быту и других целей находят в настоящее время все более широкое применение. В ряде случаев они позволяют существенно снизить затраты, повысить скорость и эффективность биологических методов очистки загрязненных почв, стоков и водоемов, стабилизировать работу очистных сооружений, решить задачу нейтрализации вредных токсикантов, переработки нетоксичных отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности с получением кормовых продуктов и биологически активных добавок. При вкладе биопрепарата в процесс очищения до 50–75% стоимость его может не превышать 7–10% от общей стоимости работ.

В России биопрепаратами называют препараты, полученные на основе штаммов микроорганизмов, имеющих разрешения санитарно-эпидемиологи- ческих служб на их производство и применение. Подавляющее большинство этих штаммов прототрофные, природного происхождения, т. е. не относятся к генетически модифицированным и не содержат мутаций, требующих дополнительных источников ростовых факторов.

Выпускаемые коммерческие биопрепараты, предназначенные для очистки природных сред, представляют в основном массу жизнеспособных клеток микроорганизмов-биодеструкторов. Они различаются используемыми для их получения штаммами, имеющими различные физиолого-биохимические свойства, такие как термотолерантность, осмофильность, оптимальные для роста значения pH, способность включать в метаболические процессы разные классы загрязнений. Эти физиолого-биохимические свойства штаммов-био- деструкторов определяют эффективность применения биопрепаратов в разных почвенно-климатических зонах и средах, для удаления различных по химическому составу загрязнений. Конечным продуктом биотрансформации загрязнений являются простые минеральные вещества и микробная биомасса, которая в природных условиях легко вовлекается в биогеохимические циклы превращения веществ.

Препараты для очистки природных сред должны отвечать ряду требований:

быть получены на основе непатогенных штаммов, выделенных из природных ценозов или селекционированных в лаборатории; не содержать патогенных инфицирующих микроорганизмов;

микроорганизмы биопрепаратов должны иметь высокие технологические показатели: способность к росту и накоплению биомассы в промышленных ферментерах больших объемов; высокая конкурентоспособность по отношению к сопутствующей микрофлоре ферментера, позволяющая проводить процесс в не строго асептических условиях; сохранение жизнеспособности при высушивании и длительном хранении;

быть технически простыми в использовании и экономически приемлемыми;

обеспечивать эффективное снижение уровня загрязнения без образования опасных промежуточных и конечных продуктов трансформации и не оказывать неблагоприятного воздействия на окружающую среду;

дозы препаратов, интродуцированных в окружающую среду, должны активировать самоочищающую способность природных биоценозов, не разрушать их структуру и функции, не стимулировать рост патогенных микроорганизмов.

Мировой рынок препаратов для биоремедиации составлял в 1994 г. от 290 до 440 млн долл., в 2000 г. 800–1350 млн долл., а по отдельным странам:

Разработкой технологии получения, производством и применением биопрепаратов занимается ряд специализированных организаций как за рубежом, так и в Российской Федерации, а также множество небольших производителей. Исследования по получению биопрепаратов направлены на подбор культурпродуцентов, выбор форм препаратов, разработку технологии их применения.

Основные технологические этапы получения и использования биопрепаратов для очистки контаминированных сред представлены на рис. 4.34.

В лабораторных условиях определяется активность отобранных штаммов по отношению к углеводородам разных групп и конкретного загрязнения, определяются оптимальные условия для проявления деструкционного потенциала микроорганизмов в почве, получают оценочные значения расходных норм препарата и возможной продолжительности очистки конкретного места загрязнения.

Для наработки препарата в производственных условиях разрабатывают технологический регламент, обеспечивающий получение продукта, соответствующего техническим условиям, сопутствующие рабочие инструкции по эксплуа-

тации оборудования, микробиологическому контролю и т. п., разрабатываются рекомендации, инструкции по применению препарата.

Товарной формой препаратов могут быть сухой порошок и жидкая концентрированная суспензия клеток.

Технология получения сухих товарных форм биопрепаратов и используемое технологическое оборудование типичны для биотехнологических процессов получения биомассы живых клеток микроорганизмов (например, при выпуске пекарских дрожжей, микробиологических средств защиты растений и т. д.). Технология включает следующие стадии:

прием, хранение и подготовка сырья, органического субстрата, растворов минеральных солей;

обеспечение ферментационного процесса источником кислорода, технологической водой, паром, моющими и дезинфицирующими средствами, пеногасителями;

выращивание посевного материала;

накопление биомассы в рабочем аппарате – ферментере;

концентрирование суспензии микроорганизмов сепарацией, микрофильтрацией, адсорбцией на инертных материалах-наполнителях;

сушка;

если предусмотрено, гранулирование, компаундирование препарата с различными наполнителями и внесение добавок;

расфасовка, упаковка, складирование, отправка готового продукта;

очистка сточных вод, газовоздушных выбросов со стадии ферментации, сепарации и сушки.

При выпуске жидких форм препаратов стадия сушки отсутствует.

На стадии ферментации микроорганизмы культивируют периодическим или непрерывным способом, на питательных субстратах и при режимах, гарантирующих получение микроорганизмов с необходимыми свойствами или активностью ферментов, участвующих в удалении загрязнений. При использовании таких субстратов, как углеводороды, биодоступные аналоги ксенобиотиков (например, нехлорированные аналоги хлорсодержащих соединений) возможно культивирование в не строго асептических условиях, что существенно упрощает требования к технологическому обеспечению ферментационного процесса и квалификации обслуживающего персонала.

При концентрировании биомассы и сушке используются методы и технологические режимы, обеспечивающие сохранение жизнеспособных клеток микроорганизмов, что особенно важно при получении биопрепаратов на основе неспоровых форм микроорганизмов. В частности, сепараторы и циркуляционные контуры мембранных установок оснащаются рубашкой для охлаждения суспензии, что позволяет в процессе сепарирования поддерживать температуру ниже температуры инактивации клеток микроорганизмов, для сушки применяют распылительные, лиофильные или вакуум-термические сушилки.

При получении иммобилизованных биопрепаратов суспензию клеток микроорганизмов (обычно до стадии концентрирования) смешивают с носителем

(сорбентом). Носитель может быть порошкообразным, гранулированным, волокнистым, тканым. Процедура иммобилизации может предусматривать внесение дополнительных реагентов, флокуляцию, осаждение клеток на носителе

идругие приемы, повышающие эффективность иммобилизации. В процессе созревания, длящемся от 2–3 недель до 1,5–2 мес, биомасса микроорганизмовдеструкторов нарастает на носителе, увеличиваются титр жизнеспособных клеток, их активность и срок хранения препарата.

Внесение различных добавок (наполнителей, осмопротекторов и других защитных веществ, компонентов питания и т. п.) в полученную биомассу позволяет исключить из технологической схемы стадию сушки, инактивирующую клетки микроорганизмов, стандартизировать характеристики биопрепарата, увеличить срок хранения, выживаемость и активность микроорганизмов, эмульгирующую, диспергирующую, адгезионную, пенообразующую способности, уменьшить слеживаемость.

Сухие товарные формы биопрепаратов могут храниться до 6 мес и более без существенного снижения их целевых свойств. Срок хранения жидких препаратов существенно ниже. Однако исходный титр жизнеспособных клеток в них может быть больше, а стоимость ниже, так как из технологии получения исключена стадия сушки, приводящая к инактивации части клеток.

Задачей разработки технологии применения биопрепаратов является обеспечение необходимых условий (содержание минеральных компонентов, дополнительных субстратов, мелиорантов, наполнителей и других добавок, оптимальные условия влажности, температуры, рН среды, аэрации и др.) для активного развития микроорганизмов биопрепарата в загрязненной среде, использования их биоокислительного потенциала.

Для активации микроорганизмов биопрепаратов (восстановления сниженной жизнеспособности клеток, индукции и повышения активности деструкционных ферментов) перед использованием рекомендуется препараты разводить в водной среде, содержащей питательные компоненты и, возможно, загрязняющее вещество, и выдерживать некоторое время (от нескольких часов до суток), если требуется, при аэрировании среды.

При высокой концентрации загрязнений может потребоваться предварительная обработка среды другими методами. Например, при высоком содержании загрязнения на поверхности почвы сначала механическими способами (бульдозером, лопатами) собирается верхний слой и лишь затем проводится обработка биопрепаратом. Собранный грунт складируют. Возможна его дальнейшая обработка биопрепаратами на площадках складирования.

Контроль за качеством очистки осуществляют при использовании физикохимических, химико-аналитических и биологических (микробиологических, фитотоксикологических) методов.

По окончании очистных работ проводят рекультивационные мероприятия

ипри необходимости утилизируют и обезвреживают образовавшиеся отходы.