8 Экологическая биотехнология
Экобиотехнология решает проблемы по охране окружающей среды, такие как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений.
В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль играют микроорганизмы. Однако, многие из созданных человеком низкомолекулярных соединений (ядохимикаты, детергенты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, кроме того, они проявляют мутагенное, канцерогенное, тератогенное влияние, поэтому для их утилизации требуется разработка более совершенных технологий очистки.
Обычно для утилизации отходов применяют комплексы микроорганизмов и специальные приборные устройства.
Чужеродные вещества (ксенобиотики), попадая в организм человека и животных, претерпевают различную биотрансформацию: окисление, восстановление, гидролиз и другие превращения с участием ферментных систем.
В воде и почве биотрансформация ксенобиотиков протекает под воздействием ферментов и микроорганизмов. Изучение реакций в почвах затруднено гетерогенностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв. Многие ксенобиотики в биосфере достаточно устойчивы, например, ДДТ не исчезает из почвы 30 лет, альдрин и хлордан – 15 лет, диэльдрин – 25 лет, гептахлор – 14 лет. Некоторые вещества при распаде образуют еще более устойчивые и токсичные соединения.
Одним из направлений экобиотехнологии является получение экологически чистой энергии. Экологически чистой считается энергия, получаемая путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также энергия биогаза и микробного этанола.
8.1 Получение биогаза
Биогаз – это смесь, состоящая из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного газа или 0,74 л нефти, или 0,66 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез – процесс превращения биомассы в энергию.
Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается в анаэробных условиях до метана и диоксида углерода. Микробиологическому разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы.
Для получения биогаза можно использовать отходы животноводства, отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалоперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов.
Процесс ведут при температуре от 30 до 60 ºС и значения рН от 6 до 8. Получение биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. Чаще всего используют вторичные отходы (то есть отходы животноводства и сточные воды городов).
Рисунок
7 – Схема устройства реактора для
обработки
сельскохозяйственных отходов
Подача навоза, остатков растениеводства (субстрата) и отбор отработанных (стоков) осуществляют в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодический, так и полунепрерывный. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса. Биогаз сгорает с образованием углекислого газа и воды, а в реакторе остается естественное удобрение – сапропель. Он содержит азот, фосфор, соли калия, необходимые для роста растений. Использование сапропеля более целесообразно, чем использование навоза, поскольку навоз перегружает почву.
В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательных стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения: белки, липиды, полисахариды. На второй стадии идет образование ацетата, которое может протекать двумя путями:
а) ацетогенные микроорганизмы усваивают водород, углекислый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием ацетата;
в) гомоацетатные микроорганизмы усваивают водород, углекислый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием ацетата.
На третьей стадии образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления углекислого газа с молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии в качестве субстрата используют формиат, углекислый газ, метанол, метиламин и ароматические соединения.
В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий – от 30 до 40 ºС, для термофильных – от 50 до 60 ºС. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, причем субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов.
Микрофлора для метаногенеза формируется в основном микрофлорой желудочно-кишечного тракта животных:
Lactobacillus acidophilus,
Eubacterium aerofaciens,
Methanobacterium mobile,
Methanosarcina sp.,
Methanobrevibacterium ruminantium.
Метанобразующие бактерии от 90 до 95 % используемого углерода превращают в метан и лишь от 5 до 10 % углерода – в биомассу.
Анаэробная биоконверсия органических отходов в метан – наиболее конкурентоспособная область биоэнергетики. Она позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии – ГЭС, ТЭС, АЭС – вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС загрязняют атмосферу, вызывают отчуждение земель. АЭС создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации углекислого газа, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.
Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. В природе в результате деятельности бактерий образуется ежегодно около 800 млн. тонн метана, примерно столько же добывается людьми.