Основные принципы процесса
Микробиологи и другие ученые, ведущие исследования в биологических науках, хорошо знают, как нужно заботится, подкармливать и выращивать организм, а вот инженеры часто нуждаются в напоминании. Я далек от мысли, что за несколько занятий Вы превратились в инженеров-биотехнологов, но все же давайте вспомним общий контрольный список требований для микробной деятельности (Табл. 1). Всевозможные дополнительные детали Вы вспомните, если откроете свои учебники по микробиологии. Для нас будут особенно важны несколько пунктов из этого списка, если мы будем пытаться стимулировать биокоррекцию. Например, пункты 1 и 2: организмы нуждаются в углероде и источнике энергии, чтобы расти. Такой источник может быть найден в самом загрязнителе, который впоследствии будет удален (разрушен). Однако, в некоторых случаях вещество для роста должно быть добавлено, и это является технической проблемой и существенно повышает стоимость разработки. Очень важным является конечный акцептор электронов, естественный или искусственный. Например, если желателен рост аэробных бактерий, то нужно обеспечить введение источника кислорода.
Пункты от 4 до 8 - факторы окружающей среды, необходимые для микробного роста. Например, многие грунтовые воды являются неполноценными в отношении макроэлементов азота и фосфора. Поэтому большинство схем биокоррекции включают добавление по крайней мере одного из этих питательных веществ. Пункты 9 и 10 описывают те положения, которые необходимо создавать, так как адекватный контакт, иногда называемый биосовместимостью, является чрезвычайно важным для развития микроорганизмов.
Таблица 1.
Контрольный список требований для развития микроорганизмов.
Источник углерода.
Источник энергии (донор электронов).
Конечный акцептор электронов.
Макроэлементы питательных веществ (азот и фосфор) .
Микроэлементы питательных веществ (например, следовые количества металлов и серы).
Надлежащая pH.
Надлежащая температура.
Отсутствие токсичных материалов или контроль (управление) за ними .
Адекватный контакт (биологическая совместимость).
Адекватное время.
Желательные природные или генетически созданные микробы.
По существу, в процессе биокоррекции мы пытаемся соединить три элемента: загрязнители, которые будут удалены, организмы и питательные вещества, необходимые этим организмами. Без всех трех биокоррекция не может быть выполнена. Такое соединение, т.е. достижения такого адекватного контакта является громадной технической проблемой. Нам также будет необходимо достаточное время; обычно время – не самая большая проблема в in situ биокоррекции, потому что время удерживания в водоносном слое составляет месяцы или годы. Следовательно, у нас обычно достаточно времени, чтобы вызвать необходимые реакции. Наконец, нам необходимо иметь (или генетически получить) нужный микроб, чтобы вызвать желательную биологическую реакцию. Как Вы понимаете, здесь у биокоррекции имеется обширные возможности для развития.
Различные компоненты, особенно ксенобиотические, могут быть биодеградированы двумя способами:
как первичный субстрат (донор или акцептор электронов), на котором организм вырастает, разрушая органические компоненты, или
в процессе ко-метаболизма, где организм не получает энергию для роста от биопреобразования органических компонентов.
Ко-метаболизм важен для многих ксенобиотических компонентов. Здесь микроорганизм не получает достаточной энергии для роста из-за слишком низкой их концентрации или из-за невозможности (неспособности) перерабатывать содержимое как ростовой субстрат. Вредные компоненты могут продолжать удаляться, но первичный ростовой субстрат должен присутствовать в среде обитания микроорганизма. Доставка субстрата в среду также представляет непростую техническую задачу.
В биокоррекции используют несколько типов микроорганизмов. Текущие применения биокоррекции вообще осуществляют с помощью местных микроорганизмов (организмы уже находятся в водоносных слоях). Рост этих организмов должен стимулироваться добавлением питательные вещества, доноры электронов и/или акцепторов электронов. Два других типа организмов, которые могут использоваться, вобрали в себя возможности, естественно встречающихся и генетически модифицированных микроорганизмов; в них желательные черты объединены так, чтобы организм стал гораздо более универсальным. Эти организмы должны жить и расти in situ, чтобы выполнить биокоррекцию. Поэтому одна из главных задач биотехнологии состоит в том, чтобы вывести жизнеспособные линии микроорганизмов, которые выживут в окружающей среде, в которую они будут помещены. Использование генетически модифицированных микроорганизмов произойдет скорее всего в ближайшие годы, но зависит это больше от политических, чем от технических причин.