close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2550.Экологическая биотехнология

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный аграрный университет
имени Н. И. Вавилова»
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Учебное пособие
Саратов 2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 574:60
ББК 28.080:28.4
Рецензенты:
Заведующая лабораторией биотехнологий ГНУ НИИСХ РАСХН,
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник
Т.И. Дьячук
Заведующий кафедрой «Микробиология, вирусология и иммунология»,
доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»
А.А. Щербаков
Экологическая биотехнология: учебное пособие / Сост.: И.А. Сазонова //
ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2012. – 106 с.
Учебное пособие по дисциплине «Экологическая биотехнология»
предназначено для студентов очной и заочной форм обучение направлений
подготовки 240700.68 «Биотехнология», «Биоэкология» и других направлений
биологического профиля. Пособие содержит теоретический и графический
материал по основным вопросам экологической биотехнологии, рассмотрены
вопросы использования микроорганизмов для защиты окружающей среды.
Направлено на формирование у студентов знаний об основных закономерностях
биотехнологических процессов, на применение этих знаний для защиты
окружающей среды, для решения экологических проблем.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Экологическая ситуация всегда является функцией цивилизации,
определенное экологическое состояние является результатом вызванного
человеком техногенного воздействия на природу. Современная
экологическая ситуация определяется исследователями как кризисная.
Поскольку жизнедеятельность человека протекает в определенной
экосистеме, из которой человек черпает необходимые для жизни ресурсы,
экологический кризис в этой экосистеме угрожает существованию
человека.
Если говорить о современных возможностях улучшения экологического
состояния, надо заметить, что особенности биотехнологии позволяют ей
быть основой такого способа человеческой деятельности, который может
не влиять деструктивным образом на природу, человека, культуру. Анализ
возможностей биотехнологии позволяет сделать вывод, что биотехнология
может быть основой неразрушающей технологии человеческой
деятельности.
Экологическая биотехнология — это специальное применение
биологических систем и процессов для решения задач охраны
окружающей среды и рационального природопользования.
Несмотря на огромные возможности биотехнологии помочь человеку в
сложной экологической ситуации, развитие ее имеет непредсказуемый
характер. Ее результаты могут быть направлены и против человека. Это
касается биологического оружия, увеличения вирулентности возбудителей
болезней, предоставление им стойкости к защитным силам организма и
лекарствам. То есть, используя биотехнологию одновременно трудно
прогнозировать абсолютно положительный экологический эффект.
В данном пособии раскрываются основные биотехнологические
методы, применяемые для защиты окружающей среды, которые включают
в себя биоремедиацию, основные законы микробного синтеза, методы
генетической инженерии, биотехнологические процессы утилизации
отходов. Курс нацелен на формирование ключевых компетенций,
необходимых для эффективного решения профессиональных задач и
организации профессиональной деятельности на основе глубокого
понимания законов функционирования экосистем.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ
БИОТЕХНОЛОГИИ
Развитие биотехнологии и ее место в современной науке
Среди ученых нет единого точного определения понятия
«биотехнология». Можно сказать, что биотехнология изучает методы
получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых
условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или
изолированные из клеток биологические структуры. Современная
биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая
зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии,
генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники
позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности
микроорганизмов.
Биотехнология позволила управлять клеточным биосинтезом
микроорганизмов, но биотехнология — понятие более широкое, чем
микробный синтез, поскольку используются не только микроорганизмы,
но и культуры растительных и животных тканей, протопласты, клеточные
ферменты и любые биологические системы, способные к биосинтезу или
биоконверсии.
В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная
инженерия, культивирование тканей многоклеточных организмов,
иммунокоррекция, манипуляция с половыми клетками и др. Тесно связана
с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи — создание биореакторов,
аэрирующих устройств, оборудования для стерилизации питательных сред
и воздуха, разработка контрольной и измерительной аппаратуры, а также
масштабирование и моделирование биотехнологических процессов.
Биотехнология также связана с такими науками, как физиология
микроорганизмов, растений и животных, цитология, биохимия, генетика,
биофизика, молекулярная биология.
Сегодня многочисленные биотехнологические процессы широко
используются в отечественной пищевой промышленности. С их помощью
удается увеличить продуктивность сельского хозяйства. С развитием
биотехнологии поднялась на новый уровень фармацевтическая
промышленность, возрастает роль биотехнологии в защите окружающей
среды. Биотехнология вторгается в металлургию и горнодобывающую
промышленность, добычу нефти, развивается новая отрасль —
биогеотехнология.
Весьма многообразны биотехнологические манипуляции с клеточными
структурами и протопластами. Например, в результате искусственного
слияния лимфоцитов и меланомных клеток (разновидность опухоли)
получены гибридомы, которые синтезируют моноклональные антитела,
имеющие важное значение в иммунологических реакциях. Учение о
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
моноклональных
антителах
—
важный
раздел
современной
биотехнологии.
В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав
антител — важного фактора иммунологической системы человека и
животных. В 1975 г. путем гибридизации соматических клеток получены
гибридомы, секретирующие моноклональные антитела.
К числу достижений биотехнологии можно отнести разработанные А.С.
Спириным основы бесклеточного синтеза белка в протоке, создание новых
генно-инженерных сортов растений и животных, клонировании животных.
В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают
методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток
микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко
используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и
зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Дальнейший
прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах
жизни биотехнологии. В промышленно развитых странах объем выпуска
химических веществ, полученный микробным синтезом, составляет 8—
10% всей химической продукции.
В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее
применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд
разделов:
- пищевая биотехнология;
- промышленная микробиология;
- медицинская биотехнология;
- технологическая биоэнергетика;
- сельскохозяйственная биотехнология;
- биогидрометаллургия;
- инженерная, энзимология;
- клеточная и генетическая инженерия;
- экологическая биотехнология.
Биотехнологические процессы в отличие от химических протекают в
мягких условиях, при нормальном давлении и рН среды, а также при
физиологических температурах; они в меньшей степени загрязняют
окружающую среду отходами и побочными продуктами, кроме того, они
мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших
земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов,
гербицидов и других чужеродных для окружающей среды агентов.
Экологическая биотехнология — это специальное применение
биологических систем и процессов для решения задач охраны
окружающей среды и рационального природопользования.
Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых
и промышленных отходов, очистку стоков и газо-воздушных выбросов,
деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных
препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и
домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для
окружающей
среды
способов
воcпроизводства пищи,
лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных
ископаемых.
Мировая экологическая ситуация
Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в
промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в
окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем,
к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности
человека.
Промышленные
предприятия
загрязняют
атмосферу
газообразными и твердыми выбросами, водоемы — стоками, которые
содержат большое количество вредных, а иногда и сильно ядовитых
веществ, от которых страдают фауна и флора. Эти вещества через растения
и
животных
поступают
в
пищу
человека.
Химизация
сельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению
почвы, водоемов, воздуха, пищевых продуктов. В некоторых регионах и
городах планеты создалась напряженная экологическая ситуация.
Факторы, влияющие на окружающую среду:
- производство минеральных удобрений связано с большим
потреблением
энергии.
Наблюдается
снижение
эффективности
минеральных удобрений. Одновременно применение минеральных
удобрений на фоне низкого содержания в почве органических веществ
вызывает большой унос минеральных веществ с водой, что ухудшает
экологическую ситуацию в регионе.
- создание больших животноводческих комплексов также привело к
загрязнению атмосферы веществами с неприятным запахом и патогенными
микроорганизмами, почвы — сорняками, водоемов — патогенными
микроорганизмами и гельминтами. В последнее время много пишется о
загрязнении ядохимикатами почвы, водоемов и сельскохозяйственной
продукции. Российское овощеводство и садоводство имеют в этом смысле
очень горький опыт. Но это касается не только России. Развитые
сельскохозяйственные страны мира допускают увеличение содержания
нитратов в овощах до 900 мг/кг при норме 300 мг/кг, а во фруктах, до 1000
мг/кг и выше. Сами по себе нитраты малотоксичны, но в организме они
преобразуются в нитриты, которые могут участвовать в образовании
ядовитых веществ — нитрозаминов.
- присутствие в среде нитритов сильно замедляет рост хлебопекарных
дрожжей, поэтому регулярно определяют присутствие нитритов. Хуже
дело обстоит с контролем пищевых продуктов, в частности плодов и
овощей. Необходимо отметить, что при больших нагрузках минерального
азота в процессах денитрификации возможно образование не только азота,
но и его оксида, который подобно фреону может отрицательно влиять на
озоновый слой, окружающий планету. Таким образом, чрезмерное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
использование минеральных удобрений в земледелии может вызвать
глобальные отрицательные последствия.
- интенсификация сельскохозяйственного производства связана и с
ирригацией. К началу XXI века в мире ожидается увеличение расхода воды
на 200—300 %, главным образом для нужд ирригации. Это потребует
дополнительные источники пресной воды, а также увеличит угрозу
загрязнения водоемов.
- индустриализация хозяйства связана с увеличением потребления
энергии, превращением сельскохозяйственных угодий в дороги,
строительные площадки, созданием крупных заводов, выбрасывающих в
атмосферу и водоемы вредные вещества. Тревогу вызывает также
усиление вырубки леса. Уменьшение лесных массивов отрицательно
влияет на водный режим, приводит к изменению ландшафта, уничтожению
многих видов фауны и флоры, особенно в субтропических зонах, ухудшает
газообмен в атмосфере и очистку воздуха.
- строительство гидроэлектростанций связано с затоплением
сельскохозяйственных угодий, уменьшением рыбных ресурсов,
ухудшением самоочищения воды и рядом других последствий.
Крупнейшие российские реки Волга, Днепр, Обь, Иртыш и озера Байкал,
Севан, Ладожское и другие страдают от сброса сточных вод
промышленных предприятий и агропромышленного комплекса.
- твердые и жидкие отходы. Ежедневно каждый городской житель в
среднем выбрасывает 2—3 кг различных отходов, половина которых —
бумага и упаковочные материалы. Только в Москве на свалку ежегодно
вывозят 8—10 млн т отходов, в том числе 5 млн т коммунальных. Для
размещения этой массы отходов в Подмосковье имеется сотни свалок; их
площадь ежегодно увеличивается на 40 га, так как вокруг свалки создают
санитарную зону шириной 500 м. Общая площадь, занятая свалками, в
Подмосковье ежегодно увеличивается на 1000 га. На улицах Нью-Йорка
ежегодна собирают 8 млн т отходов, Токио — 4,5 млн т, Лондона — 3 млн
т. Во многих приморских городах коммунальные отходы загружают в
контейнеры и сбрасывают в море.
- жидкие стоки. Если в начале столетия каждый горожанин для
индивидуальных нужд потреблял в сутки 15—20 л воды, то сегодня в
индустриально развитых странах эта цифра возросла до 350—400 л. Всего
же население планеты ежегодно расходует около 6000 км3 воды. Эта вода
в виде стоков поступит обратно в биосферу. Подсчитано, что за последние
100 лет промышленность выбросила в окружающую среду более 1,5 млн т
мышьяка, 1,0 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, 600 тыс. т цинка, 125 тыс.
т ртути и миллионы тонн других веществ. В последнее время в связи с
химизацией сельского хозяйства в водоемы и реки попадают в больших
количествах пестициды, гербициды, дефолианты, антибиотики,
дезинфицирующие средства, азотистые и фосфорные соединения.
Энергетика и транспорт загрязняют среду нефтепродуктами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- промышленные сточные воды сильно различаются и зависит от
характера производства. Например, при первичной обработке на молочных
заводах из 1 т молока образуется около 40 кг стоков. Содержание сухого
вещества в этих стоках обычно не превышает 1 %. При дальнейшей
переработке молока из 1 кг молока образуется от 0,1 до 6 кг сточных вод в
зависимости от вида получаемого продукта.
На мясокомбинатах образуются стоки, сильно загрязненные кровью,
жиром, экскрементами, частицами мяса, шерстью, различными солями.
Показатели стоков мясокомбинатов сильно варьируют. При переработке на
мясо птицы до 30 % первоначальной массы переходит в отходы. Сухие
отходы — перья — утилизируют, в том числе их используют для
получения кормовых добавок.
Сточные воды на предприятиях, перерабатывающих рыбу, сильно
различаются по содержанию сухого вещества и ВПК. Прежде чем
подвергнуть стоки после обработки рыбы биологической очистке,
необходимо изыскать максимальные возможности получения из них
полезных продуктов.
Сильно загрязненными являются также стоки крахмалопаточных,
сахарных заводов и бродильных производств. Эти стоки подвергают, как
правило, биотехнологической обработке с целью обезвреживания.
Совершенно другая ситуация с отходами сельского и лесного хозяйства.
При производстве зерна в среднем на 1 т приходится 1 т соломы. Солома
используется как корм, подстилочный материал, сырье для компостов,
топливо, а также как сырье для получения бумаги, кормовых дрожжей и
пр. Отходы сельского и лесного хозяйства необходимо рассматривать как
перспективное возобновляемое сырье для биотехнологической
промышленности.
Роль биотехнологии для сельского хозяйства
Биотехнология должна помочь сельскому хозяйству получить продукты
питания с минимальным применением средств химизации. На основе
генетической
и
клеточной
инженерии
необходимо
создать
высокоурожайные, болезнестойкие сорта культурных растений, что
позволит исключить ядохимикаты. Важное место здесь отводится
клеточной инженерии и меристемной технологии. На основе достижений
современной генетики и биотехнологии представляется возможным
изменить потребительские свойства сельскохозяйственных продуктов с
тем, чтобы отпала необходимость применять для корма животных и птицы
различные добавки химического или микробного синтеза (кормовые
дрожжи, лизин, витамины и др.), производство которых связано с
определенной экологической опасностью. В качестве примера можно
привести создание высоколизинового сорта ячменя в Дании. Этот ячмень
содержит 6 г/кг лизина (против 3,8 г/кг в обычном ячмене). Следует
расширить производство бактериальных удобрений (особенно нитрагина),
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
биологических средств борьбы с болезнями растений и их вредителями,
биологических консервантов кормов. Для повышения плодородия почвы
необходимо применять органические удобрения, компосты и
обезвреженные путем метанового брожения жидкие отходы
животноводческих ферм.
Биотехнология должна создать рациональные и безвредные для
человека и среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в
более ценные товарные формы. То же касается химического сырья,
которое можно превращать в биологически безвредные формы.
Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании
безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем
очистки производственных стоков и твердых отходов.
Достижения современной биологии дают новые эффективные средства
индикации биологического загрязнения окружающей среды. Необходимо
отметить методы, основанные на использовании моноклональных антител,
или иммуноферментные, а также электроды с иммобилизованными
ферментами. Посредниками для индикации определенных соединений в
воде или почве могут быть различные биологические объекты, которые
аккумулируют эти вещества. Например, в печени рыбы накапливаются
пестициды, тяжелые металлы, сбрасываемые в водоем, где обитает такой
посредник.
Предприятия микробиологической промышленности по действующим в
России правилам должны обеспечить такую обработку стоков, чтобы они
отвечали всем санитарно-гигиеническим требованиям.
Основные биотехнологические методы, которые могут быть применены
для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для
обеспечения
экологически
чистого
производства
на
самих
биотехнологических предприятиях:
- создание безотходных технологических процессов;
- создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и
животных;
- создание растений, устойчивых к болезням и вредителям;
- бактериальные удобрения и стимуляторы роста растений;
- создание культурных растений, способных фиксировать атмосферный
азот без участия микроорганизмов;
- получение из отходов полезных продуктов или обезвреживание их;
- средства для диагностики, иммуностимуляторы, вакцины,
антибиотики и др.;
- получение методами генетической и клеточной инженерии
культурных растений, при возделывании которых отпадает необходимость
использования ядохимикатов как средств борьбы против вредителей и
болезней;
- специальные микробиологические или другие биологические
препараты селективно уничтожают вредных насекомых, грызунов или
возбудителей болезней;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- усиление биологической фиксации атмосферного азота, мобилизации
фосфора; ускорение роста органов растений; снижение потребности в
минеральных удобрениях;
- перенос методами генетической инженерии в геном растений генов от
микроорганизмов, определяющих фиксацию азота;
- аэробная биологическая очистка стоков;
Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются системы
для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих
среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми выбросами. В аэробных
и анаэробных условиях обычно с помощью иммобилизованных культур
микроорганизмов в жидких стоках разрушают большое количество
органических соединений. Примером может быть окисление сульфидов до
сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillus
denitrificans, иммобилизованными в геле альгината. Процесс происходит в
анаэробном биофильтре. В гель включают также СаСО3 для поддержания
буферности и ионы Са2+ в качестве структурирующего фактора в гранулах
альгината. Такая система обеспечивает утилизацию сульфидов из раствора
в течение 12 сут. при их концентрации 26 промиль.
Учёными-биотехнологами разработана также биотехнологическая
система для окисления металлов в грязеобразной среде с содержанием
сухого вещества 10—30 %. Так, бактерии рода Leptespirillum окисляют
ртуть, серебро, молибден, селен и др.
Биологическая очистка стоков
Известно, что в естественных условиях в водоемах и в почве
происходит биологическое самоочищение. Но как только концентрация
вредных веществ превышает критическую, развитие живых организмов, а
также процесс биологического самоочищения нарушается. Под влиянием
чужеродных вредных веществ нарушается установившееся равновесие,
возникают нежелательные изменения, отрицательно воздействующие на
здоровье человека и его хозяйственную деятельность.
К веществам, загрязняющим водоемы и почву, относят:
- различные яды и вредные вещества — соли тяжелых металлов,
мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ингибирующие
активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие
жизненные процессы;
- кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природных
водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых системах;
- поверхностно-активные вещества, которые в последнее время с
развитием химической промышленности все чаще попадают в природные
водоемы, образуя слой пены на поверхности. Эти вещества очень опасны,
так как часто недоступны воздействию микроорганизмов и не
разрушаются;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- растворимые органические вещества, содержащие углерод и азот,
нефтепродукты, углеводы и т. д. Данная группа веществ используется
микроорганизмами в качестве субстрата и способствует их чрезмерному
размножению в водоемах. В свою очередь, это приводит к увеличению
расхода растворенного в воде кислорода и развитию анаэробной,
гнилостной микрофлоры, что вызывает вымирание других форм жизни. В
таких условиях могут развиваться микроорганизмы, опасные для здоровья
человека, например сульфатредуцирующие бактерии, в результате
действия которых появляется неприятный запах сероводорода и т.д.;
- нерастворимые органические соединения — крахмал, целлюлоза,
лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих
частиц поступают в водоемы и вызывают последствия, схожие с действием
веществ предыдущей группы;
- радиоактивные и другие вредные загрязнители.
Водоемы представляют собой биологические системы, способные
утилизировать отходы.
При рециркуляции воды или для временного замедления биологических
процессов сточные воды иногда обрабатывают хлором или хлорной
известью. Химическая очистка сточных вод осуществляется путем
регуляции рН и осаждения коллоидных веществ электролитами (чаще
всего солями железа или алюминия), поликатионитами, флокулянтами.
Эти методы обычно комбинируют с биологическими методами очистки:
обработкой воды в аэробных условиях активным илом или анаэробной
ферментацией.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТИПОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БИОТЕХНОЛОГИИ
Биодеградация токсичных веществ, компостирование
Биодеградация (биологический распад, биоразложение) — это
разрушение сложных веществ в результате деятельности живых
организмов.
Биодеградация может выражаться как в необходимых процессах,
например в разложении умерших организмов, так и приносить человеку
существенный ущерб. В таком случае говорят о биоповреждениях. При
биодеградации может меняться структура и свойства материалов, что
может сделать непригодными для использования различные объекты: от
пищевых продуктов, до строительных конструкций.
Последствия хозяйственной деятельности людей и их изоляции от
окружающей природной среды наиболее ярко проявляются в
повреждениях, в процессах старения рукотворных материалов, которые
обусловлены жизнедеятельностью организмов и их сообществ. Принципы
противодействия процессам биологического разрушения материалов,
известные с древних времен, востребованы и в настоящее время.
Например, запасы продовольствия должны либо быть употреблены
свежими, либо их следует высушить, чтобы минимизировать
рост микроорганизмов-деструкторов.
Перед транспортировкой твёрдых отходов на свалку они могут быть
подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению.
Эта предварительная обработка может сильно влиять на катаболические
процессы в твёрдых отходах. На типичной свалке, где отходы
размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа
реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на
разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям,
например, попаданию воды, содержащей растворённый кислород или
различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель
периодических культивирований, действующих в той последовательности,
в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки можно
использовать модель периодического культивирования с повторным
внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.
В начальной стадии катаболизма твёрдых отходов, сопровождаемого
физическими и химическими процессами, преобладают аэробные
процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро
разрушаются рядом беспозвоночных и микроорганизмами. Утилизация
миксотрофных субстратов затем сменяется последующим катаболизмом
макромолекул, таких как лигноцеллюлозы, лигнин, танины и меланины,
которые способны только к медленной биодеградации, что приводит к
тому, что кислород перестаёт быть лимитирующим субстратом.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биодеградация органических соединений, загрязняющих окружающую
среду, оправдана только в том случае, если в результате происходит их
полная минерализация, разрушение и детоксикация; если же
биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их
токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не
только нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих
среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации
структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом
взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость
ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер
и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление,
выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его
превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом
микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также
от структурного сходства этого синтетического продукта и природного
соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В
удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют
различные механизмы метаболизма.
Ликвидация токсичных и опасных твёрдых отходов вместе с обычными
требует учёта следующих факторов: типа отходов (твёрдые, ил, жидкие),
совместимости видов микроорганизмов, нагрузки, испарения, скорости
вымывания, характеристик твёрдых отходов, температуры и водного
баланса в данном месте.
Механизм ослабления вредных воздействий может быть как
микробиологическим, так и физико-химическим. Радиоактивные отходы
также могут быть подвергнуты микробной трансформации.
Компостирование – это экзотермический процесс биологического
окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной
биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях
повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации
органический субстрат претерпевает физические и химические
превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного
продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и
как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру
почвы.
Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского
мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических
компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы
растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В процессе
компостирования удовлетворяется в основном потребность в кислороде,
органические вещества переходят в более стабильную форму, выделяются
диоксид углерода и вода и возрастает температура. В естественных
условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности
земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных
условиях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и
мультидисперсность субстрата, необходимая для нормальной аэрации.
Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое
отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются
аэрации. Их необходимо смешивать с твёрдым материалом, собирающим
влагу, который обеспечит дополнительный углерод и нужную для аэрации
структуру смеси.
В процессе компостирования принимает участие множество видов
бактерий – более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно
подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая
из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже
200°С, для мезофиллов – от 20 до 400°С и термофилов – свыше 400°С.
Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии
компостирования, являются, как правило, мезофилами.
Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают
биологическим способом после удаления большей части нефти
физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое
воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила
можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной
системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего
поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако
загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше
использовать более совершенные технологии, например системы с илом,
аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.
Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море,
где она затем подвергается различным физическим превращениям,
известным как выветривание. В ходе этих абиотических процессов,
включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается (в
зависимости от качества нефти и от метеорологических условий) 25 - 40%
нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы.
Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных
разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти:
относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот,
серу и кислород соединений, а также асфальтенов в различных типах
нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают
разветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и
асфальтены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и
скорость биодеградации определяются доступностью питательных
веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких
веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных
организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени
загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят
поблизости от крупных портов или нефтяных платформ, где среда
постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не
происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например
асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах.
Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти,
- это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и
степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация
осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.
Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы
нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к
загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве
содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать
углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если
образуются растворимые производные или поверхностно-активные
соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.
Биоочистка и детоксикация отходов
Биоочистка - удаление посторонних или вредных агентов из вод и почв
с помощью живых организмов, способствующих фильтрации и (или)
разложению этих примесей, восстановлению первичных свойств среды.
На современном этапе развития науки биоочистка является основным
и наиболее перспективным методом удаления загрязнений из сточных вод,
т.к. обеспечивает достаточно глубокий распад веществ и основан на
использовании природных процессов и катализаторов.
Среди биологической очистки наибольшее распространение получил
аэробный
метод.
Наиболее
распространены
двухступенчатые
биологические системы обработки сточных вод, т.к. обеспечивают более
глубокую очистку вод, нежели одноступенчатые.
Для очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества, можно
использовать аэротенки-смесители. Разработан метод с использованием
биокоагулянта – раствора трехвалентного железа в культуре Thibascillus
Ferrooxidans, используемого для осаждения тяжелых металлов и фосфора
из промышленных сточных вод. С помощью данной культуры их сточных
вод биологических очистных сооружений возможно растворение
металлической стружки. Полученный биокоагулянт с содержанием
трехвалентного железа до 50 г/л использовался для доочистки
производственных сточных вод от тяжелых металлов и фосфора.
При анаэробной биоочистке производится разложение сложной
органики, в частности – жиров, на более простые; далее, на аэробной
стадии. Они окислятся в нитраты при помощи микроорганизмов.
Детоксикация отходов - освобождение их от вредных компонентов на
специализированных установках.
Биоремедиация. Биовыщелачивание
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и
атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических
объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Биоремедиация - одна из способностей природы к самоочищению
окружающей среды под воздействием антропогенных загрязнителей. Хотя
термин «биоремедиация» возник совсем недавно, но сам природный
процесс существовал на этапе возникновения первых форм жизни, когда
под воздействием загрязнённых компонентов были, выработали
определённые детоксифицирующие механизмы по преобразованию их в
менее вредные формы, снижающие экологическое напряжение. В
настоящее время биоремедиционные технологии основаны на
механинизмах и потенциалах почти всех видах жизненных форм, то есть
растений (фиторемидиация), микроорганизмов (микробная ремидиация) и
животных (зооремидиация).
Фиторемидиация
является
рентабельным,
доступным
и
жизнеспособным механизмом, который предотвращает загрязнение вс ех
компонентов окружающей среды: воздуха, воды или почвы, используя
растения.
Микроборемедиация. Главную роль в деградации загрязнений играют
микроорганизмы.
Микроорганизмы
преобразовывают
опасные
органические загрязнители к экологически безопасным уровням в почвах,
поверхностных материалах, воде и осадках. Микробы имеют дело с
ядовитыми химикатами, применяя ферменты, чтобы преобразовать один
химикат в другую форму при этом получают необходимую для жизни
энергию. Химические преобразования приводят к расщеплению больших
молекул в несколько маленьких молекул в более простой форме. В
некоторых случаях побочные продукты бактериальной ремедиации не
только безопасны, но и могут оказаться полезными.
Дезактивация токсических веществ с помощью животных получил
название - зооремедиация. Многие водные животных были успешно
продемонстрированы для обработки загрязненной воды, но этот метод не
нашел широкого применения вследствие существенных экологических
соображений безопасности.
Еще за тысячелетие до нашей эры римляне, финикийцы и люди иных
ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод. В средние века в
Испании и Англии применяли процесс «выщелачивания» для получения
меди из медьсодержащих минералов. Безусловно, древние горняки не
могли предположить, что активным элементом данного процесса являются
микроорганизмы.
Несмотря на давность существования биотехнологических процессов
извлечения металлов из руд и горных пород, только в 50-е годы была
доказана активная роль микроорганизмов в этом процессе. В 1947 году в
США Колмер и Хинкли выделили из шахтных дренажных вод
микроорганизмы,
окисляющие
двухвалентное
железо
и
восстанавливающие серу. Микроорганизмы были идентифицированы как
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Thiobacillus
ferrooxydans.
Вскоре
было
доказано,
что
эти
железоокисляющие бактерии в процессе окисления переводят медь из
рудных минералов в раствор. Бактерии Thiobacillus ferrooxidans очень
широко распространены в природе, они встречаются там, где имеют место
процессы окисления железа или минералов. Они в настоящее время
наиболее изучены. Помимо Thiobacillus ferrooxidans, широко известны
также Leptospirillum ferrooxidans. Первые окисляют сульфидный и
сульфитный ионы, двухвалентное железо, сульфидные минералы меди,
урана. Спириллы не окисляют сульфидную серу и сульфидные минералы,
но эффективно окисляют двухвалентное железо в трехвалентное, а
некоторые штаммы окисляют пирит. Сравнительно недавно выделены и
описаны бактерии Sulfobacillus thermosulfidooxidans, Thiobacillus
thiooxidans, T. acidophilus. Окислять S 0, Fe2+ и сульфидные минералы
способны также некоторые представители родов Sulfolobus и Acidianus.
Среди этих микроорганизмов –
мезофильные и умеренно
термотолерантные формы, крайние ацидофилы и ацидотермофилы. Для
всех этих микроорганизмов процессы окисления неорганических
субстратов служат источником энергии. Затем были выделены и описаны
многие другие микроорганизмы, участвующие в процессах окисления
сульфидных минералов.
Несколько позднее было установлено, что нитрифицирующие бактерии
способны выщелачивать марганец из карбонатных руд и разрушать
алюмосиликаты. Среди микроорганизмов, окисляющих NH4+ → NO2– , это
представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrobacter,
Nitrococcus и др.
Определенный интерес для биосорбции металлов из растворов
вызывают денитрифицирующие бактерии; наиболее активные среди них –
представители родов
Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus. Эти
микроорганизмы, являясь факультативными анаэробами, используют в
качестве акцептора электронов окислы азота (NO 3–, NO2–, N2O) или
кислород, а донорами электронов могут служить различные органические
соединения, водород, восстановленные соединения серы.
Сульфатвосстанавливающие бактерии, которые используют в качестве
доноров электронов молекулярный водород и органические соединения, в
анаэробных условиях восстанавливают сульфаты, SO 23–, S2O23–, иногда S 0.
Оказалось, что некоторые гетеротрофные микроорганизмы способны
разрушать горные породы в результате выделения органических продуктов
обмена – органических кислот, полисахаридов; источником энергии и
углерода для организмов служат различные органические вещества. Так,
силикатные породы деструктурируют представители рода Bacillus в
результате разрушения силоксанной связи Si-O-Si; активными
деструкторами силикатов являются также грибы Aspergillus, Penicillum и
др.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все названные выщелачивающие бактерии переводят в ходе окисления
металлы в раствор, но не по одному пути. Различают «прямые» и
«непрямые» методы бактериального окисления металлов.
Процесс окисления железа и серы бактериями является прямым
окислительным процессом:
4 FeSO4 + O2 + 2 H2SO4 → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O,
S8 + 12 O2 + 8 H2O → 8 H2SO4.
В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O→ 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4
и сфалерит:
ZnS + 2 O2 → ZnSO4
Ион трехвалентного железа, образующийся в результате окисления
бактериями двухвалентного железа, служит сильным окисляющим
агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит:
Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 → 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + S0
и уранит:
UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2 SO4 + 2 FeSO4
Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe3+, который
образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называется
непрямым окислением. Часто в ходе непрямого окисления минералов
образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться
бактериями до серной кислоты.
В настоящее время процесс бактериального выщелачивания для
получения меди достаточно широкого применяют повсеместно; меньшие
масштабы имеет бактериальное выщелачивание урана. На основании
многочисленных исследований принято считать бактериальное
выщелачивание
перспективным
процессом
для
внедрения в
горнодобывающую промышленность. В меньших масштабах применяется
в горнодобывающей промышленности другой биотехнологический
процесс – извлечение металлов из водных растворов. Это направление
обещает существенные перспективы, так как предполагает достаточно
дешевые процессы очистки стоков от металлов и экономичное получение
при этом сырья.
Например, в изучении железобактерий в последнее время достигнуты
большие успехи, связанные с получением чистых культур ряда этих
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
организмов. Это разнообразная группа бактерий, способных окислять и
откладывать окислы железа и/или марганца вне или иногда внутри клетки.
Накопление окислов железа и марганца на поверхности бактериальных
клеток - результат двух взаимосвязанных процессов: аккумуляции
(поглощения) клетками этих металлов из раствора и окисления,
сопровождающегося обильным отложением нерастворимых окислов на
поверхности бактерий.
Процесс аккумуляции тяжелых металлов из растворов в основе имеет
физико-химическую природу и в значительной мере обусловлен
химическим составом и свойствами поверхностных структур клетки. Он
включает связывание металлов внеклеточными структурами (капсулы,
чехлы, слизистые выделения), клеточной стенкой и ЦПМ. Сорбционные
свойства поверхностных клеточных структур определяются в большой
степени суммарным отрицательным зарядом молекул, входящих в их
состав.
Поглощение
металлов
приводит
к
значительному
концентрированию их вокруг клеток по отношению к среде.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАДАЧАХ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Принцип минимума
Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора или закон
минимума Либиха (1840) — один из фундаментальных законов в экологии,
гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более
всего отклоняется от оптимального его значения (концепция, согласно
которой существование и выносливость организма определяется самым
слабым звеном в цепи его экологических потребностей). Поэтому во время
прогнозирования экологических условий или выполнение экспертиз очень
важно определить слабое звено в жизни организмов.
Согласно закону минимума жизненные возможности организмов
лимитируют те экологические факторы, количество и качество которых
близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.
Лимитирующий фактор - фактор среды, выходящий за пределы
выносливости организма. Лимитирующий фактор ограничивает любое
проявление жизнедеятельности организма. С помощью лимитирующих
факторов регулируется состояние организмов и экосистем.
Например, продуктивность культурных растений, в первую очередь,
зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который
представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве
лишь 20 % от необходимой нормы, а кальция — 50 % от нормы, то
ограничивающим фактором будет недостаток фосфора; необходимо в
первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения.
По имени учёного названо образное представление этого закона — так
называемая «бочка Либиха». Суть модели состоит в том, что вода при
наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску в
бочке и длина остальных досок уже не имеет значения.
Рисунок 1. Модели закона Либиха
Недостаток одного составляющего влечет за собой блокировку
впитывания других, взаимозависимых с ним элементов питания. При
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
микробиологическом синтезе закон минимума действует на рост и
развитие микроорганизмов. От состава питательной среды и ее
компонентов, их концентрации зависит качество продуцентов.
Формирование экологических ниш для окислительных и
восстановительных процессов
Под экологической нишей понимают обычно место организма в
природе и весь образ его жизнедеятельности, или, как говорят, жизненный
статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени и
способам питания, местам размножения, укрытий и т. п. Это понятие
значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание».
Каждый вид занимает в своем местообитании определенную
экологическую нишу, т.е. это положение вида, которое он занимает в
общей системе биоценоза, комплекс его биоценотических связей и
требований к абиотическим факторам среды.
Понятие экологической ниши подразумевает не только физическое
пространство, где может быть обнаружен данный вид, но также,
определенную его роль в сообществе, в частности его питание и
взаимоотношения с другими видами. Когда два вида занимают одну и ту
же нишу, они обычно конкурируют друг с другом, пока один из них не
будет вытеснен. Гаузе в 1934 г. сформулировал 2 закона:
1. Два вида не могут занимать одну и ту же экологическую нишу;
2. Пустующая экологическая ниша всегда будет заполнена.
Экологическая ниша — абстрактное понятие, объединяющее все
физические, химические, физиологические и биотические факторы,
необходимые организму для жизни. Для того чтобы описать
экологическую нишу организма, нужно знать, чем он питается, кому он
служит пищей, его способность к передвижению и его воздействие на
другие организмы и на неживые элементы внешней среды.
Экологическая ниша
Фундаментальная
– биологические
потребности вида, его
требования к среде
Перекрывание ниш
– совмещение
жизненных
интересов разных
видов,
приводящее к
конкурентным
отношениям
Реализованная –
реальное положение
вида в биоценозе,
обычно меньше
фундаментальной
Рисунок 2. Виды экологических ниш
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экологическая ниша может быть:
- фундаментальной — определяемой сочетанием условий и ресурсов,
позволяющим виду поддерживать жизнеспособную популяцию;
- реализованной — свойства которой обусловлены конкурирующими
видами.
Это различие подчеркивает, что межвидовая конкуренция приводит к
снижению плодовитости и жизнеспособности и что в фундаментальной
экологической нише может быть такая часть, занимая которую вид в
результате межвидовой конкуренции не в состоянии больше жить и
успешно размножаться.
В мелководье у берегов озер встречаются различные водяные клопы,
имеющие одно и то же местообитание. Вместе с тем одни из них, например
гладыш (Notonecta) — хищники, которые ловят и поедают других
животных, почти равных им по размерам; другие же, например Corixa,
питаются мертвыми и разлагающимися организмами. Каждый из этих
организмов играет различную роль в общем биологическом хозяйстве
озера, и, следовательно, каждому из них присуща особая экологическая
ниша.
На земном шаре не так уж много мест, где нет бактерий. Бактерии были
найдены в почве на глубине 5 м, в пресной и соленой воде и даже во льдах
ледников. Лишь немногие бактерии автотрофны и могут синтезировать
необходимые для них органические соединения в результате реакций
фотосинтеза или хемосинтеза; остальные питаются, как сапрофиты или
паразиты. Большая часть бактерий, подобно животным, аэробы и
использует в процессе дыхания атмосферный кислород. Другие бактерии
могут расти и размножаться в отсутствие свободного кислорода, получая
энергию в процессе анаэробного расщепления углеводов или аминокислот
и накапливая различные частично окисленные промежуточные продукты
— спирт, глицерин или молочную кислоту. Некоторые из таких бактерий,
называемые облигатными анаэробами, растут только в отсутствие
кислорода; при наличии молекулярного кислорода они быстро погибают.
Другие, называемые факультативными анаэробами, развиваются
одинаково хорошо как в присутствии, так и в отсутствие кислорода.
Различные виды бактерий могут использовать в качестве источника
энергии почти любые органические соединения — не только питательные
вещества, как сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения,
например мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества,
входящие в состав экскрементов. Один из видов бактерий может
использовать в качестве питательного субстрата даже пенициллин,
убивающий многие бактерии.
Каждый вид бактерий занимает определенную экологическую нишу,
которая может быть в водной среде, почве. Каждая ниша характеризуется
определенными химическими процессами.
Биохимические процессы, осуществляющиеся в организмах,
представляют собой сложные, организованные в циклы цепи реакций. На
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воспроизведение их в неживой природе потребовались бы огромные
энергетические затраты. В живых организмах они протекают при
посредстве белковых катализаторов – ферментов, понижающих энергию
активации молекул на несколько порядков величин. Так как материалы и
энергию для обменных реакций живые существа черпают в окружающей
среде, они преобразуют среду уже только тем, что живут.
В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в
больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как
окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот,
сера, железо, марганец и др.). Геологические результаты деятельности этих
организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы,
образовании в анаэробных условиях залежей сульфидов металлов, а в
аэробных – окисление их и перевод в растворимое состояние,
возникновение железных и железомарганцевых руд.
За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном
грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская, в
масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. При
деструкции органической массы протекают два параллельных процесса:
минерализации и образования почвенного гумуса со значительным
запасом энергии.
Кинетика микробиологических процессов
В основе процессов обмена клетки со средой и внутреннего
метаболизма лежит сложная сеть организованных определенным образом
во времени и пространстве различных реакций. В результате этих
процессов изменяются концентрации различных веществ, численность
отдельных клеток, биомасса организмов, могут изменяться и другие
величины, например величина трансмембранного потенциала в клетке.
Изменения всех этих переменных величин во времени и составляют
кинетику биологических процессов. Таким образом: кинетика изучает
закономерности протекания во времени биохимических процессов,
механизмы биохимических превращений в зависимости от различных
факторов (температуры, концентрации реагирующих веществ, давления,
рН среды).
Все гомогенные элементарные химические реакции различают по
числу молекул, участвующих в элементарном акте химического
взаимодействия.
По
этому признаку реакции подразделяют:
мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.
Порядок реакции по данному веществу — показатель степени при
концентрации этого вещества в кинетическом уравнении реакции. Если
зависимость скорости химической реакции от концентраций исходных
веществ записать в виде:
V = k [A1]n1[A2]n2…………[Ah]nk
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где n1 - порядок реакции по веществу A1, а (n1+ n2 + ……..+ nk) - порядок
реакции в целом.
Выделяют реакции 0, 1, 2, 3 – порядков.
Химические реакции 0 порядка. Кинетическое уравнение имеет
следующий вид:
V0 = k0
Скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит
от концентраций реагирующих веществ. Нулевой порядок характерен,
например, для гетерогенных реакций в том случае, если скорость
диффузии реагентов к поверхности раздела фаз меньше скорости их
химического превращения. Диаграмма зависимости скорости химической
реакции от концентрации субстрата при химической реакции 0 порядка:
Рисунок 3. Зависимость скорости реакции от концентрации 0 порядка
Химические реакции 1 порядка. Кинетическое уравнение имеет
следующий вид:
V1 = k1[C]
Диаграмма зависимости скорости химической реакции
концентрации субстрата при химической реакции 1 порядка:
от
Рисунок 4. Зависимость скорости реакции от концентрации 1 порядка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Химические реакции 2 порядка. Кинетическое уравнение имеет
следующий вид:
V2 = k2[Cа]2 или V2 = k2[Cа] [Cб]
Диаграмма зависимости скорости химической реакции
концентрации субстрата при химической реакции 2 порядка:
от
Рисунок 5. Зависимость скорости реакции от концентрации 2 порядка
Правило Вант-Гоффа - эмпирическое правило, позволяющее в первом
приближении оценить влияние температуры на скорость химической
реакции в небольшом температурном интервале (обычно от 0 °C до 100
°C). Я. Х. Вант-Гофф на основании множества экспериментов
сформулировал следующее правило: при повышении температуры на
каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции
увеличивается в два — четыре раза.
Правило Вант-Гоффа имеет ограниченную область применимости. Ему
не подчиняются многие реакции, происходящие при высоких
температурах, очень быстрые и очень медленные реакции. Правилу ВантГоффа также не подчиняются реакции, в которых принимают участие
громоздкие молекулы, например белки в биологических системах.
Распределение молекул в системе по скоростям, а, следовательно, и по
энергиям описывается кривой Максвелла-Больцмана. Отношение
количества молекул n, обладающих энергией EA, к общему количеству
молекул N равно:
n/N = e-Ea/RT
Уравнение, связывающее константу скорости реакции, количество
столкновений молекул, энергию активации и температуру, называется
уравнением Аррениуса:
K = p Z e-Ea/RT
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Z – количество столкновений, р – стерический фактор,
предоставляющий собой вероятность столкновения молекул активными
центрами.
Таким образом, энергия активации — это энергетический барьер,
который преодолевают молекулы для осуществления реакции. В
уравнении Аррениуса множитель определяет долю молекул, имеющих
энергию и эффективно участвующих в реакции. Чем выше энергия
активации реакции, тем медленнее она протекает при заданной
температуре.
Зависимость скорости (v) ферментативной реакции от концентрации
субстрата [S] выражается уравнением Михаэлиса-Ментен и в
графической форме:
V = Vmax [S] \ Km + [S]
Рисунок 6. Кривая Михаэлиса-Ментен
При достаточно малых концентрациях субстрата скорость V
пропорциональна [S] и ферментативная реакция представляет реакцию
первого порядка. При очень больших концентрациях субстрата, когда [S] >
Km, V = Vmax, и процесс идет как реакция нулевого порядка.
Моделирование роста микроорганизмов
Моделирование - один из основных методов биофизики. Он
используется на всех уровнях изучения живых систем, начиная от
молекулярной биофизики, биофизики мембран, биофизики клетки и
органов и заканчивая биофизикой сложных систем.
При изучении сложных систем исследуемый объект может быть
заменен другим, более простым, но сохраняющим основные, наиболее
существенные для данного исследования свойства. Такой более простой
объект исследования называется моделью. Модель - это всегда некое
упрощение объекта исследования и в смысле его структуры, и по
сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающее те
основные свойства, которые интересуют исследователя.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные виды моделей:
1. Физическая модель имеет физическую природу, часто ту же, что и
исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируется
движением жидкости по трубам (жестким или эластичным). Для изучения
процессов проницаемости ионов через биологические мембраны реальная
мембрана заменяется искусственной (например, липосомой). Физические
устройства, временно заменяющие органы живого организма, также можно
отнести к физическим моделям: искусственная почка - модель почки,
кардиостимулятор - модель процессов в синусовом узле сердца, аппарат
искусственного дыхания - модель легких.
2. Биологические модели представляют собой биологические
объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых
изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных
сложных объектах.
3. Математические модели - описание процессов в реальном объекте
с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных.
Для реализации математических моделей в настоящее время широко
используются компьютеры.
Если процессы в модели имеют другую физическую природу, чем
оригинал, но описываются таким же математическим аппаратом (как
правило, одинаковыми дифференциальными уравнениями), то такая
модель называется аналоговой.
Основные требования, которым должна отвечать модель:
1. Адекватность - соответствие модели объекту, то есть модель должна
с заданной степенью точности воспроизводить закономерности изучаемых
явлений.
2. Модель должна иметь границы применимости, то есть должны быть
четко заданы условия, при которых выбранная модель адекватна
изучаемому объекту.
Иммобилизация
Широкие перспективы открылись перед инженерной энзимологией в
результате создания нового типа биоорганических катализаторов, так
называемых иммобилизованных ферментов. Термин «иммобилизованные
ферменты» узаконен сравнительно недавно, в 1974 году Сандэремом и
Реем, хотя еще в 1916 году Нельсон и Гриффи показали, что инвертаза,
адсорбированная на угле или алюмогеле, сохраняет свою каталитическую
активность.
Иммобилизация – это процесс прикрепления ферментов к поверхности
природных или синтетических материалов, включение их в полимерные
материалы, полые волокна и мембранные капсулы, поперечная химическая
сшивка. Иммобилизацию также можно характеризовать как физическое
разделение катализатора и растворителя, в ходе которого молекулы
субстрата и продукта легко обмениваются между фазами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При
иммобилизации
ферментов
происходит
стабилизация
каталитической активности, так как этот процесс препятствует
денатурации
белков.
Иммобилизованный
фермент,
имеющий
ограниченную возможность для конформационных перестроек, быстрее
растворимого находит кратчайший путь к функционально активной
конформации. Иммобилизованные ферменты приобретают, помимо
стабильности, отдельные свойства, не характерные для их свободного
состояния, например возможность функционировать в неводной среде,
более широкие зоны оптимума по температуре и рН. При этом фермент из
разряда гомогенных катализаторов переходит в разряд гетерогенных, то
есть находится в фазе, не связанной ни с исходным субстратом, ни с
образуемым продуктом. Это позволяет организовывать на базе
иммобилизованных
ферментов
различные
более
эффективные
биотехнологические процессы многократного периодического, а также
непрерывного действия с использованием принципа взаимодействия
подвижной и неподвижной фаз.
Длительность сохранения каталитической активности и ряд свойств
ферментов определяются правильностью выбора носителя, метода и
условий проведения иммобилизации.
Рисунок 7. Способы иммобилизации ферментов:
а - адсорбция на нерастворимых носителях, б – включение в поры геля, в –
отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны, г – использование
двухфазной реакционной среды
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существует четыре типа связывания ферментов:
- адсорбция на нерастворимых носителях;
- включение в поры геля;
- пространственное отделение фермента от остального объема
реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки
(мембраны);
- включение в двухфазную среду, где фермент растворим и может
находиться только в одной из фаз.
Методы иммобилизации путем адсорбции основаны на фиксировании
фермента на поверхности различных материалов – неорганических
(силикагель, пористое стекло, керамика, песок, обожженная глина,
гидроокиси титана, циркония, железа) и органических (хитин, целлюлоза,
полиэтилен, ионообменные смолы, вспененная резина, полиуретан с
ячеистой структурой).
Процедура иммобилизации состоит в смешивании в определенных
условиях фермента с носителем и инкубации смеси. Затем при помощи
фильтрования и центрифугирования проводят отделение нерастворимого
компонента смеси от растворимого.
Недостаток данного метода – непрочность связей. Поэтому при
незначительном изменении условий среды (рН, температуры, ионной
силы, концентрации продукта) возможна десорбция фермента с
поверхности носителя.
Методы химического связывания имеют долгую историю и
реализуются
в
различных
модификациях.
Практически
все
функциональные группы белков могут быть использованы для связывания
катализатора с носителем. Перспективным подходом в развитии данного
метода является использование в качестве носителя привитых полимеров.
Иммобилизация путем химической сшивки фермента с носителем
характеризуется высокой эффективностью и прочностью связи.
Недостаток методов иммобилизации на основе физической адсорбции
или ковалентного присоединения – необходимость использования
достаточно больших количеств катализатора. Более того, химическая
модификация,
которой
подвергаются
ферменты
в
процессе
иммобилизации, может существенно снижать их каталитическую
активность. Избежать этого можно при использовании методов
иммобилизации ферментов путем включения в полимерную структуру.
В качестве полимерных носителей применяют природные и
синтетические материалы (альгинат, желатину, каррагинан, коллаген,
хитин, целлюлозу, полиакриламид, фоточувствительные полимеры).
Раствор фермента смешивают с раствором мономеров носителя. Далее
создают условия для процесса полимеризации, в ходе которого происходит
механическое включение фермента в структуру носителя.
Привлекательна для использования иммобилизация ферментов
методом инкапсулирования. В этом методе главным является не создание
физических или химических сил, необходимых для связывания
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
катализатора с носителем, а удержание раствора, окружающего фермент. В
процессе инкапсулирования иммобилизуются не отдельные молекулы
фермента, а исходный раствор, содержащий фермент.
К методу инкапсулирования близок метод обращенных мицелл.
Фермент включают в замкнутую структуру из поверхностно-активного
вещества (липид, детергент), содержащую микроскопическую каплю воды.
Фермент функционирует на границе раздела двух фаз: органической,
находящейся в биореакторе, и водной, заключенной в обращенную
мицеллу.
Иммобилизация методом поперечных сшивок (или химического
присоединения) заключается в химическом связывании молекул
ферментов между собой путем образования поперечных сшивок.
Таким образом, методы иммобилизации достаточно разнообразны,
причем имеется возможность использования их в сочетании.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Стехиометрия роста микроорганизмов и математическое
моделирование
Рост популяций микроорганизмов имеет два количественных аспекта,
тесно связанных между собой – стехиометрический и кинетический.
Кинетика – совокупность закономерностей, определяющих зависимость
скоростей метаболических процессов от свойств самого объекта и
факторов внешней среды, влияющих на него. Стехиометрические
закономерности определяют соотношение между этими скоростями.
Метаболизм представляет собой большую цепь из переплетающихся
реакций, связанных стехиометрическими и регуляторными кинетическими
связями.
Термин «стехиометрия» традиционно применяется к химическим и
биохимическим реакциям. Его эквивалентом является термин «баланс»,
который чаще применяется к микробному синтезу.
Исследование баланса вещества и энергий при росте популяций
микроорганизмов включает в себя следующие аспекты:
количественные
соотношения
между
различными
стехиометрическими коэффициентами, описывающими распределение
потоков вещества при метаболизме;
- взаимосвязь балансов вещества и энергии при росте микробных
популяций;
- механизмы влияния среды и характеристик клеточного метаболизма
на эффективность и скорость роста;
- максимальная достижимая эффективность роста популяций на
различных субстратах;
- использование найденных закономерностей в исследовательской и
биологической практике.
Микробиология является одной из областей современной науки, где
математическое моделирование стало действенным средством научного
исследования. Более того, математические модели прочно вошли в
практику биотехнологического производства микроорганизмов как
инструмент управления биотехнологическими процессами.
В большинстве своем микроорганизмы – одноклеточные организмы,
они имеют высокое отношение поверхности к объему и поэтому высокие
интенсивности обмена с окружающей средой. С этим связаны:
- высокие скорости размножения микроорганизмов,
- большой прирост биомассы,
- высокая скорость роста микробных популяций,
- высокая скорость микроэволюционных процессов в микробных
сообществах.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все это делает микробные популяции чрезвычайно привлекательными
как в практическом отношении для биотехнологии, так и в качестве
научного объекта для изучения популяционных и эволюционных
процессов.
Для математического описания микробных популяций обычно
используют аппарат обыкновенных дифференциальных уравнений. В
отношении микробиологических систем такое описание гораздо более
обосновано, чем применительно к наземным и водным высшим
организмам. Из-за многочисленности микробных популяций к ним
применимо понятие концентрации. Действительно, даже в лабораторных
исследованиях, in vitro приходится иметь дело с количеством особей
порядка 1010 и выше. В большом промышленном ферментере могут
одновременно жить 1016 – 1017 дрожжевых клеток.
Второй фактор
–
относительная однородность культуры
микроорганизмов в объеме культиватора. Это позволяет пренебречь
пространственными эффектами.
Для управления биотехнологическим процессом необходимо:
- сформулировать модель, описывающую рост управляемой культуры
микроорганизмов;
- указать параметры, по которым производится управление;
- определить цель, которая при этом преследуется.
Целью может быть максимальная скорость роста культуры, или
получение максимальной биомассы в течение всего срока выращивания,
или минимизация времени выхода культиватора на стационарный режим
работы. В зависимости от этого должна быть математически
сформулирована соответствующая целевая функция. Нахождение
значений управляющих параметров, которые позволяют достичь
экстремума этой целевой функции, и составляют задачу управления/
Теория экономического коэффициента
Данный раздел теории разработан в основном для популяций
микроорганизмов, однако при соблюдении определенных условий и
постоянстве внешних параметров он приложим также для описания
динамики популяций многоклеточных организмов.
Экономический коэффициент: для описания и сравнения
эффективности утилизации субстрата S при росте организмов
используется так называемый экономический коэффициент Y, который
определяется как
где X и S соответственно концентрации биомассы и изучаемого субстрата.
Данный параметр отражает прирост биомассы на единицу
потребляемого субстрата и является важнейшей характеристикой ростовых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процессов. По причинам, изложенным ниже, он также называется
суммарным экономическим коэффициентом. Размерность экономического
коэффициента зависит от применяемых размерностей концентрации
биомассы и субстрата.
Если лимитирующий субстрат является источником углерода и энергии
для процессов биосинтеза, то его значение, как правило, меньше единицы.
Данный субстрат при потреблении затрачивается на два типа процессов.
Первый тип процессов связан с собственно ростом и размножением. В
этом случае эффективность потребления энергетического субстрата
характеризуют так называемым ростовым экономическим коэффициентом
Yрост. Размерность данного параметра такая же, что и у определенного
выше суммарного экономического коэффициента. Второй тип процессов
связан с затратами на поддержание уже имеющейся биомассы –
сохранением всех трансмембранных градиентов, восстановлением
постоянно разрушающихся биополимеров, биомембран и т.д. В
физиологии это называют основным обменом. Количественно траты
энергетического субстрата на эти процессы характеризуют параметром m,
называемым траты на поддержание. Размерность этого параметра – [время1].
Суммарный экономический коэффициент Y, ростовой экономический
коэффициент Yрост и траты на поддержание m согласно теории связаны
следующим соотношением:
где r - удельная скорость роста биомассы популяции.
Соответственно, кинетика потребления субстрата
поддержание биомассы описывается уравнениями:
на
рост
и
Динамика лимитированного роста популяции: выделяют два типа
процессов лимитированного роста популяций. В первом из них субстрат
вносится в систему однократно, и далее он в процессе роста только
потребляется. В микробиологии и биотехнологии такой процесс называют
периодическим культивированием. Во втором процессе, который
называется непрерывным культивированием, в ходе роста популяции
субстрат постоянно добавляется в систему, при этом изымается избыток
биомассы. Система, в которой скорости подачи субстрата и изъятия
биомассы постоянны, называется хемостат. Поскольку динамические
уравнения, описывающие данные системы, несколько отличаются, их
рассматривают отдельно.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Периодическое культивирование: Динамика популяции в условиях
периодического культивирования описывается следующей системой
уравнений, известных как модель Моно:
Здесь X – концентрация биомассы, S - концентрация лимитирующего
субстрата, t – время, rmax - максимальная удельная скорость роста, KS константа насыщения, Y - экономический коэффициент. Эта система имеет
аналитическое решение вида:
Здесь S 0 и X0 - начальные концентрации субстрата и биомассы
соответственно. На практике часто применяется также первый интеграл
системы:
Непрерывное
культивирование.
Хемостат:
Для
описания
лимитированного роста популяции в хемостате применяют следующую
систему уравнений:
Параметр D называется протоком, он численно равен скорости подачи
питательной среды (субстрата) в культиватор (ферментер), нормированной
на эффективный объем культиватора. Размерность протока – [время-1]. На
практике часто используют соотношения, получаемые из анализа
стационарного состояния хемостата:
Здесь рассматривается стационарная удельная скорость
популяции и стационарные концентрации субстрата и биомассы.
роста
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Материально-энергетический баланс клеточного метаболизма
Теория материально-энергетического баланса роста клеточных
популяций (МЭБ) представляет собой новый взгляд на биоэнергетику
клеточных популяций. Она дает исследователям эффективный рабочий
аппарат для количественного описания перераспределения вещества и
энергии субстратов роста в вещество и энергию клеток и продуктов
метаболизма, а также генерации метаболического тепла.
Фундаментом теории материально-энергетического баланса роста
клеточных популяций является универсальная единица восстановленности
– редоксон. Редоксон – это общая мера для потоков по любым
метаболическим
путям:
электрон-транспортные
цепи,
синтез
макромолекул, низкомолекулярный метаболизм, транспорт органических
соединений через мембраны.
Теория МЭБ выделяет небольшое число факторов, влияющих на
соотношение выходных потоков клеточного метаболизма. Это
стехиометрические коэффициенты сопряжения потоков редоксонов (RO),
потоков высокоэнергетических протонов (ВЭП) и макроэргических связей
(МЭС), а также скорость кругооборота вещества в клетках. Методы теории
МЭБ получили ряд приложений: предсказание максимальных достижимых
значений выхода биомассы, постановка экспериментов по изучению роста
микроорганизмов и анализ их результатов, разработка нового метода
непрерывного культивирования и метода мониторинга роста микробных
культур,
расчет
метаболического
тепловыделения,
разработка
математических моделей роста клеточных популяций с учетом
закономерностей материально-энергетического баланса.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПОСЛЕДСТВИЯ
Понятие генетической инженерии, векторы
При
оптимизации
любого
биотехнологического
процесса,
протекающего с участием живых организмов, основные усилия обычно
направлены на улучшение их генетических свойств. Традиционно для этих
целей использовали мутагенез с последующим скринингом и отбором
подходящих вариантов. Сегодня в этой области произошли громадные
перемены. В настоящее время разрабатываются и применяются
принципиально
новые
методы,
основанные
на
технологии
рекомбинантных
ДНК. Модификация генетического материала
осуществляется разными методами: в живом организме (in vivo) и вне его
(in vitro), соответственно, это два направления – клеточная инженерия и
генетическая инженерия. С помощью этих методов возможно получение
новых высокопродуктивных продуцентов белков и пептидов человека,
антигенов, вирусов и др. генетическая инженерия – это методы получения
рекомбинантных ДНК (рДНК), объединяющих последовательности
нуклеотидов разного происхождения. Она может быть генной, геномной и
хромосомной.
Генная инженерия – целенаправленное изменение естественных
генетических характеристик известных вирусов и клеток.
Техника генетического конструирования in vitro включает несколько
последовательных процедур:
- получение нужного гена;
- встраивание его в генетический элемент, способный к репликации
(вектор);
- введение гена, входящего в состав вектора, в организм-реципиент;
- идентификацию (скрининг) и отбор клеток, которые приобрели
желаемый ген или гены.
Получение генов возможно несколькими путями: выделением из ДНК,
химико-ферментным синтезом и ферментным синтезом.
Выделение генов из ДНК проводят с помощью рестриктаз,
катализирующих расщепление ДНК на участках, имеющих определенные
нуклеотидные последовательности (4–7 нуклеотидных пар). Расщепление
можно проводить посередине узнаваемого участка нуклеотидных пар; при
этом обе нити ДНК «разрезаются» на одном уровне. Образующиеся
фрагменты ДНК имеют так называемые тупые концы. Возможно
расщепление ДНК со сдвигом, при этом одна из нитей выступает на
несколько нуклеотидов. Образуемые при этом «липкие» концы в силу
своей комплементарности вступают во взаимодействие.
Нуклеотидную последовательность с липкими концами можно
присоединить к вектору (предварительно обработанному той же
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рестриктазой), превратить в кольцевую в результате сшивания лигазами
взаимно комплиментарных концов.
Рисунок 8. Схема получения рекомбинантной ДНК по Коену-Бойеру
Метод имеет существенные недостатки, так как достаточно трудно
подобрать действие ферментов для строгого вычленения нужного гена.
Вместе с геном захватываются «лишние» нуклеотиды или, наоборот,
ферменты отрезают часть гена, превращая его в функционально
неполноценный.
Химико-ферментный синтез применяют в том случае, если известна
первичная структура белка или пептида, синтез которого кодирует ген.
Необходимо полное знание нуклеотидной последовательности гена. Этот
метод позволяет точно воссоздать нужную последовательность
нуклеотидов, а также вводить в гены участки узнавания рестриктаз,
регуляторных последовательностей и пр.
Метод состоит из химического синтеза одноцепочечных фрагментов
ДНК (олигонуклеотидов) за счет поэтапного образования эфирных связей
между нуклеотидами, обычно 8–16-звенных. В настоящее время
существуют «генные машины», которые под контролем микропроцессора
очень быстро синтезируют специфические короткие последовательности
одноцепочечной ДНК.
Ферментный синтез гена на основе выделенной матричной РНК
(мРНК) является в настоящее время наиболее распространенным методом.
Сначала из клеток выделяют матричные РНК, среди которых присутствует
мРНК, кодируемая геном, который требуется выделить. Затем в
подобранных условиях на выделенной из клетки мРНК, как на матрице, с
помощью обратной транскриптазы (ревертазы) синтезируется нить ДНК,
комплиментарная м РНК (кДНК). Полученная комплиментарная ДНК
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(кДНК) служит матрицей для синтеза второй нити ДНК с использованием
ДНК-полимеразы или ревертазы. Затравкой при этом служит
олигонуклеотид, комплиментарный 3'-концу мРНК; новая цепь ДНК
образуется из дезоксинуклеозидтрифосфатов в присутствии ионов магния.
Рисунок 9. Получение ДНК с помощью обратной транскриптазы
Метод с большим успехом применен для получения в 1979 году гена
гормона роста человека (соматотропина).
Полученный тем или иным способом ген содержит информацию о
структуре белка, но сам не может ее реализовать. Поэтому нужны
дополнительные механизмы для управления действием гена. Перенос
генетической информации в клетку реципиента осуществляется в составе
вектора. Вектор – это, как правило, кольцевая молекула ДНК, способная к
самостоятельной репликации. Ген вместе с вектором образует
рекомбинантную ДНК.
Конструирование рекомбинантных ДНК. При обычном введении в
бактериальную клетку ДНК подвергается ферментативной атаке, в
результате которой разрушается. Чтобы этого не происходило, используют
векторные молекулы ДНК, способные при введении в клетку существовать
автономно, а при делениях клетки – реплицироваться. Вектор также несет
в своем составе генетический признак, необходимый для последующего
распознавания и отбора трансгенных организмов. Обычно в качестве
маркерных генов используют гены устойчивости к антибиотикам.
Конструирование рекомбинантных ДНК осуществляется in vitro с
изолированными ДНК при помощи эндонуклеаз рестрикции, которые
расщепляют вектор в одном участке, превращая его из кольцевой формы в
линейную с образованием липких концов, комплиментарных концам
вводимой ДНК. Комплиментарные концы вектора и вводимого гена
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сшиваются лигазой. Полученную рекомбинантную ДНК с помощью той
же ДНК-лигазы замыкают с образованием кольцевой молекулы.
Рисунок 10. Конструирование рекомбинантной ДНК
В качестве векторов используют плазмиды и вирусы. Вирусы
транспортируются из клетки в клетку, за короткое время способны быстро
заразить весь организм. Важная проблема при их использовании –
аттеньюация (ослабление патогенности для хозяина), поэтому не очевидно,
что зараженные вирусом клетки выживут и смогут передавать потомству
измененную генетическую программу.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее распространенными векторами являются многокопийные
плазмиды с молекулярной массой 3–10 кб. Первые плазмиды были
выделены из бактерий, впоследствии их стали конструировать методами
генной инженерии.
Использование векторов общего назначения методически – несложная
задача, не требующая специального оборудования. Наиболее
используемыми плазмидными векторами для клонирования служат
плазмиды E. coli (pBR322, pBR325, pACYC117, pACYC 184), а также
сконструированные на основе плазмиды CoIEI. Современные плазмидные
векторы в присутствии хлорамфеникола способны к репликации,
независимо от деления хромосомы, количество копий плазмид при этом
может возрастать до 1–2.103 копий на клетку.
С
помощью
методов
генетической
инженерии возможно
конструирование новых форм микроорганизмов по заданному плану,
способных синтезировать разнообразные продукты, в том числе
эукариотических организмов. Рекомбинантные микробные клетки быстро
размножаются в контролируемых условиях и способны утилизировать при
этом разнообразные, в том числе недорогие, субстраты.
Генетическая инженерия растений
Технология состоит из следующих основных этапов получения
трансгенных растений: 1) выбор гена и его клонирование; 2) подбор
генотипа растения-реципиента; 3) введение гена и его экспрессия в геноме
растения-реципиента; 4) регенерация трансформированных клеток и отбор
трансгенных растений.
Выбор гена и его клонирование: определяется необходимостью
передачи растению определённого хозяйственно-полезного признака. Для
трансформации растений используются в основном гены, определяющие
моногенные признаки, такие, как устойчивость к гербицидам и
пестицидам, устойчивость к некоторым другим видам стрессов.
Большинство генов, определяющих эти признаки, выделены из
бактериальных геномов диких видов растений.
Подбор генотипа растения-реципиента: в качестве реципиента
подбираются растения того сорта или линии, которые отвечали бы
требованиям производства по урожайности, качеству плодов,
устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам, но имели бы лишь
одно отрицательное свойство, например устойчивость к насекомым.
Введение гена и его экспрессия в геноме растения-реципиента: в
последнее время довольно широко, особенно для трансформации клеток
однодольных растений, используется метод биобаллистической
трансформации. Важно обеспечить экспрессию чужеродного гена в
геноме растения-реципиента и стабильное наследование признака в
поколении.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Регенерация трансформированных клеток и отбор трансгенных
растений: хорошо выражена у клеток двудольных растений, таких как
табак, картофель, свекла, соя, рапс, люцерна, томаты, морковь, капуста,
некоторые плодовые. У однодольных, особенно злаков, этот признак
выражен очень слабо, в связи с чем процесс регенерации клеток в целое
растение проходит с большими трудностями.
Одной из основных проблем при получении трансгенных растений был
способ введения чужеродных генов в хромосомы растений, т. е.
трансформации растительных клеток. Значительный прорыв был сделан
при открытии возможности
использования природной системы
трансформации растений Ti-плазмидами почвенных агробактерий.
Ранее было известно, что некоторые виды почвенных бактерий могут
заражать двудольные растения и вызывать при этом образование
специфических опухолей – корончатых галлов. Опухоли состоят из
дедифференцированных клеток, интенсивно делящихся и растущих в
месте заражения. При культивировании in vitro клетки опухоли могут
расти в отсутствии гормонов, необходимых для роста нормальных
растительных клеток. Если после заражения все агробактерии
инактивизировать добавлением антибиотика, то клетки корончатых галлов
сохраняют способность к неконтролируемому делению. Итак, присутствие
агробактерии необходимо только для индуцирования образования
опухоли.
Рисунок 11. Корончатые галлы
При заражении растения агробактерией происходит перестройка
метаболизма трансформированных растительных клеток, и они начинают
синтезировать соединения, необходимые только для бактерий.
На примере одного из самых сильных индукторов опухолей –
Agrobakterium tumefaciens – было показано, что собственно
опухолеродным агентом является специфическая плазмида, названная Ti-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
плазмидой (от англ. Tumor inducing индуцирующая опухоль), часть
которой встраивается в хромосомы клеток растения.
Ti-плазмиды переносится в ядро растительной клетки и может
встраиваться в растительный геном. Этот фрагмент Ti-плазмиды был
назван Т-ДНК (трансформирующая ДНК).
Рисунок 12. Схема получения рекомбинантного высшего растения с
помощью Тi-плазмиды
Методы генетической инженерии растений.
Метод кокультивации с агробактерией является одним из самых
распространённых методов получения трансгенных двудольных растений.
В качестве исходного материала необходимо иметь
штамм
агробактерии с векторной конструкцией. Вектор должен содержать
последовательность гена, который необходимо ввести в геном растения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве эксплантов для трансформации обычно берут стерильные
листовые диски. Однако можно брать и молодые корешки, семядоли,
междоузлия.
Экспланты инокулируют жидкой средой, содержащей агробактерию с
векторной конструкцией. Время инокуляции подбирается для каждого
вида растений индивидуально. При этом происходит заражение клеток
раневой поверхности экспланта, и после 24-48 ч. кокультивирования в
некоторых клетках происходит встраивание в растительный геном
фрагмента Т-ДНК с чужеродным (выбранным) геном.
Такие трансгенные растения будут расти на среде с добавлением
селективного агента. Через 2-5 недель на трансформированном экспланте
развиваются побеги, которые в дальнейшем отсаживают или переносят в
почву.
Рисунок 13. Схема переноса Т-ДНК из агробактерии в растение с
последующим формированием корончатого галла
Методом кокультивации с агробактериями к настоящему времени
получены трансгены растения практически всех сельскохозяйственных
двудольных растений. Этот метод применим также и для некоторых
однодольных (пшеница, кукуруза, рис).
Методы прямого переноса генов в растение
Для прямого переноса генов в растительные клетки очень часто
используется трансформация растительных протопластов. При обработке
клеточной стенки растения ферментами (целлюлозой, пектиназой)
клеточная оболочка разрушается и остаётся один протопласт. Разработаны
методы прямой трансформации протопластов с помощью ДНК.
Для трансформации может быть использован практически ДНК-вектор,
несущий чужеродный ген. При этом гибридный ген интегрирует в ядерную
ДНК растения и экспрессирует, особенно в случае прямой инъекции в ядро
протопласта, используя механизмы клеточной рекомбинации. Однако
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
основным недостатком такого метода является крайне низкая частота
трансформации.
В настоящее
время
более
140
видов
растений
были
протрансформированы путём прямого переноса ДНК вектора в
протопластные клетки различными методами:
1) Микроинъекции ДНК. Трансформация растительных протопластов
с эффективностью не более 10-15%.
Рисунок 14. Микроинъекции ДНК
2) Электропорация метод основан на том, что импульсы высокого
напряжения обратимо увеличивают проницаемость биомембран. Метод
состоит в следующем: на растительные протопласты, находящиеся в
растворе большой концентрации, содержащем ДНК-векторы, действуют
высоковольтным импульсом (напряжение 200-350 В). В результате
молекулы ДНК поглощаются клетками через поры в клеточной мембране.
После
разведения
раствора
протопласты
высеиваются
на
соответствующую среду для регенерации.
Рисунок 15. Электропорация
3) Упаковка в липосомы. Липосомы – это сферически образования,
оболочки которых состоят из фосфолипидов. В настоящее время этот
способ трансформации применяется всё реже из-за его технической
сложности и низкой трансформирующей активности (0,5- 1%).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 16. Включение ДНК в липосомы из фосфатидилхолина
4) Метод биобаллистической трансформации. Метод биобаллистики,
являясь одним из самых эффективных на сегодняшний день методов
трансформации однодольных. Суть метода заключается в том, что на
мельчайшие частички вольфрама, платины или золота, напыляется ДНК
вектора, содержащего необходимую для трансформации генную
конструкцию. Помещают внутрь биобаллистической пушки, суспензия
клеток вносится в чашку Петри и помещается под биобаллестическую
пушку. В пушке вакуумным насосом уменьшается давление. В момент
сбрасывания давления вольфрамовые или золотые частички с огромной
скоростью выбрасываются из пушки и, разрывая клеточные стенки, входят
в цитоплазму и ядро клеток. Были трансформированы однодольные
растения, такие, как кукуруза, рис, пшеница, ячмень.
Трансгенные организмы. Экологические проблемы
Сегодня в число трансгенных (генетически модифицированных)
растений (ГМР) уже входят две сотни полевых, пастбищных, овощных,
древесных, декоративных и лекарственных культур. Для генной
инженерии не существует препятствий, которые ограничивают перенос
генов при традиционной селекции, основанной на половой гибридизации:
источником новых генов могут быть любые организмы - животные,
растения или микробы. Более того, генные инженеры могут так изменить
строение этих генов, приспособив их к организму нового хозяина, чтобы
заставить работать продуктивнее или в строго определенный период
развития растения.
Сегодня генная инженерия сельскохозяйственных растений развивается,
главным образом, в русле классической селекции. Основные усилия
ученых сосредоточены на защите растений от неблагоприятных
(биотических и абиотических) факторов, снижении потерь при хранении и
улучшении качества продукции растениеводства. В частности, это
повышение устойчивости к болезням и вредителям, заморозкам или
засолению почвы, удаление нежелательных компонентов из растительного
масла, изменение свойств белка и крахмала в пшеничной муке, улучшение
сохранности, вкуса плодов томата и т.д.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Противники генетически модифицированных растений не без
оснований напоминают, что создание, испытание и семеноводство
трансгенных сортов монополизировано несколькими транснациональными
корпорациями, которые в состоянии ограничивать доступ информации о
неблагоприятных экологических последствиях широкого применения
продуктов из ГМР. Очевидно, потребуется несколько лет для их
экологической экспертизы и приспособления к консервативным вкусам
потребителей. Последние вправе ожидать, что закон защитит их право
выбора между традиционными и генетически модифицированными
продуктами питания.
Во многих странах уже приняты законы, предотвращающие
несанкционированное распространение трансгенного семенного материала
и обеспечивающие мониторинг трансгенов в посевах, а также маркировку
пищевых товаров, изготовленных из продуктов ГМР или с их
добавлением. В нашей стране также принят Закон о государственном
регулировании в области генно-инженерной деятельности от 05.07.1996 г.
и подзаконные акты, регулирующие генно-инженерные работы, полевые
испытания трансгенных растений и ввоз генетически модифицированных
семян, продуктов питания и кормов.
Специальные исследования показали, что ограниченное поступление
трансгенов и белковых компонентов их экспрессии в организм человека с
продуктами питания не может иметь тех серьезных последствий, которые
дали бы основание для запрещения продуктов питания из ГМР. В то же
время ГМР могут существенно оздоровить окружающую среду.
Возделывание ГМР, устойчивых к широкому спектру болезней и
насекомых-вредителей, сможет существенно снизить, а в дальнейшем и
свести к минимуму пестицидную нагрузку на окружающую среду.
Растения, ослабленные неблагоприятными погодными условиями, легче
поражаются болезнями и вредителями. Поэтому трансгенные сорта, устойчивые к заморозкам, засолению и засухе, в меньшей степени нуждаются в
химической защите, и возделывании таких ГМР, что также обеспечит
снижение пестицидной нагрузки и на среду обитания.
Труднее оценить экологические последствия широкого применения
трансгенных сортов, устойчивых к современным гербицидам сплошного
действия (глифосат). Эти гербициды применяются в умеренных дозах, они
малотоксичны для человека и животных и нестойки в почве. Посевы ГМР
поэтому удается практически полностью освободить от сорняков. Однако
расширенное применение этих гербицидов может иметь неблагоприятные
последствия для дикорастущих растений и окружающей природы в целом.
Наиболее серьезные возражения против ГМР связаны с
предположением, что их широкое распространение приведет к появлению
и быстрому размножению устойчивых форм сорных растений. Столь же
реально
появление
насекомых-вредителей, которые приобрели
устойчивость к В1-токсинам, синтезируемым ГМР.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Другим неблагоприятным последствием широкого распространения
ГМР может стать сокращение генетического разнообразия дикорастущих и
особенно культурных растений на нашей планете. Уменьшение
численности фитофагов или подавление фитопатогенов может привести к
размножению контролируемых ими видов растений и снижению
численности энтомофагов, что изменит структуру агро- и биоценозов.
Биологическая фиксация азота
В почве происходят микробиологические превращения азота:
аммонификация, нитрификация, денитрификация.
Аммонификация – распад белково-азотистых соединений растительных
и животных остатков с образованием аммиака.
Рисунок 17. Аммонификация белков микроорганизмами
Простые белки сначала распадаются на аминокислоты, которые затем
подвергаются дезаминированию (отщепление аммиака). Почвенные
микроорганизмы эффективно подвергают аммонификации мочевину,
мочевую кислоту, хитин и т. д.
Нитрификация (двухступенчатая реакция) - окисление бактериями
аммиака до нитритов и нитратов. Обе ступени представляют собой
реакции окисления и осуществляются с помощью автотрофных бактерий
нитрозомонасами и азотобактерами:
2NH3 + 3O2 → 2H+ + 2NO−2 + 2H2O – нитрозомонасы
2NO−2 + O2 → 2NO−3 – азотобактеры
Денитрификация – вновь превращение нитратов в аммиак.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Круговорот азота в природе представляет собой результат 4 процессов:
1) Образование аммиака путем связывания молекулярного азота в
корневых клубеньках бобовых;
2) Нитрификация аммиака;
3) Ассимиляция нитратов высшими растениями, что приводит опять к
образованию аммиака;
4) Синтез аминокислот из аммиака в растениях и организмах животных.
Рисунок 18. Биологический круговорот азота
В условиях дефицита азотного питания, растения не могут
непосредственно использовать атмосферный азот для питания, который
составляет около 80% атмосферы. Для его фиксации необходим фермент
нитрогеназа, который у растений отсутствует. Способностью фиксировать
молекулярный азот обладают лишь некоторые прокариотические
организмы, с которыми растения вступают в симбиотические отношения.
В середине XIX века стал понятен конкретный механизм действия
микробов – их роль в насыщении почвы азотом.
Азотфиксация – это связывание азота атмосферы и перевод его в
азотсодержащие соединения. Большинство азотфиксирующих микробов
являются диазотрофами, т.е. могут использовать молекулярный азот в
качестве единственного источника азота.
Несмотря на свою сложность, фермент нитрогеназа обладает низкой
субстратной специфичностью: она способна восстанавливать широкий
спектр соединений с тройной связью, в том числе превращать ацетилен в
этилен. Суммарная реакция, катализируемая нитрогеназой, выражается
уравнением:
N2 + 8Н+ + 8e + 16АТФ = 2NН3 + Н3 + 16АДФ + 16Фн
Из уравнения видно, что нитрогеназная реакция весьма энергоемка.
Подсчитано, что для фиксации 1г азота необходимо затратить 100-200г
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глюкозы. Поэтому микробы синтезируют нитрогеназный комплекс только
в условиях резкого дефицита связанного азота и достаточного обеспечения
энергией. Наиболее эффективными источниками энергии для
микроорганизмов являются окислительное фосфорилирование и
фотосинтез. Однако, нитрогеназа очень чувствительна к свободному
кислороду. Поэтому у микроорганизмов-азотфиксаторов имеются
разнообразные механизмы, позволяющие защищать нитрогеназу от
свободного кислорода. У свободноживущих диазотрофов это достигается
либо тем, что кодирующие нитрогеназу гены активируются только в
анаэробных условиях, либо тем, что азотфиксирующие клетки образуют
плотную оболочку, которая очень медленно пропускает кислород.
Синтез и созревание нитрогеназы кодируется сложной системой nifгенов, многие из которых являются общими для всех азотфиксаторов.
Рисунок 19. Схема работы нитрогеназы
Одним
из
важных
факторов,
обеспечивающих
широкое
распространение способности к азотфиксации среди микробов, является
образование симбиозов с организмами, лишенными этого свойства и
вследствие этого испытывающими недостаток азота. Способность к
тесному взаимодействию с растениями выявлена во всех группах
азотфиксаторов, за исключением архебактерий. Они могут быть разделены
на три группы:
- внутриклеточные симбионты;
- микробы, которые находятся внутри растений, но не проникают в
клетки, эндофитные растения;
- ассоциативные диазотрофы, живущие на корнях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Взаимодействие
партнеров
в
азотфиксирующих
симбиозах
характеризует общая стратегия:
- микроб экспортирует продукты азотфиксации в клетки хозяина;
- хозяин предоставляет микросимбионту экологическую нишу, а также
покрывает энергетические расходы на азотфиксацию.
Примеры: бобово-ризобиальный симбиоз – образуется между бобовыми
растениями и клубеньковыми бактериями (ризобиями); симбиоз растений
(покрытосеменные, голосеменные, папоротники, мхи, водоросли) с
цианобактериями.
Рисунок 20. Схема азотфиксации
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИОКОНВЕРСИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И
ОТХОДОВ
Переработка растительных и пищевых отходов
Технология микробиологической биоконверсии отходов предназначена
для переработки сырьевых компонентов, не используемых в традиционном
кормопроизводстве, в высококачественные углеводно-белковые кормовые
добавки и комбикорма.
Суть технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые
компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды – пектиновые
вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию
комплексных
ферментных
препаратов,
содержащих пектиназу,
гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный
внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок
и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется
расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим
построением на их основе легко усвояемого кормового белка.
Другими словами, трудно усваиваемое сырье переходит в легко
усваиваемую животными форму путем расщепления неусваиваемой
молекулы белка на простые аминокислоты.
В качестве исходных сырьевых компонентов могут быть использованы
следующие отходы:
1. Растительные компоненты сельскохозяйственных культур: стебли
зерновых и технических культур, корзинки и стебли подсолнечника,
льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, трава
бобовых культур, отходы сенажа и силоса, отходы виноградной лозы,
чайных плантаций, стебли табака.
2. Отходы зерноперерабатывающей промышленности: отруби, отходы
при очистке и сортировке зерновой массы (зерновые отходы), зерновая
сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна,
семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.
3. Отходы консервной, винодельческой промышленности и фруктовые
отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки,
отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых,
дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь
зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы,
моркови, картофеля.
4. Отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса,
рафинадная патока, фильтрационный осадок, свекловичный бой, хвостики
свеклы.
5. Отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя
(щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные
отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты
(картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.
6. Отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски,
черешки.
7. Отходы эфирно-масличной промышленности: отходы травянистого и
цветочного сырья.
8. Отходы масло - жировой промышленности: подсолнечная лузга,
хлопковая шелуха.
9. Отходы кондитерской и молочной промышленности.
Таким образом, любое растительное сырье и его производные, как
лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической
биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки.
Наряду с переработкой кондиционных растительных и зерновых
компонентов, технология позволяет восстановление и многократное
увеличение прежних кормовых свойств сырья, зараженного патогенной
микрофлорой, испорченного насекомыми или частично разложившегося
из-за неправильного хранения.
В процессе биоконверсии в некондиционных компонентах
уничтожаются болезнетворная микрофлора, яйца гельминтов, возбудители
тяжелых заболеваний (бруцеллез, туберкулез, холера, тиф и др.), а также и
вредные паразитирующие простейшие (аскариды, солитеры и др.). При
этом кормовая ценность некондиционного сырья после соответствующей
обработки превышает кормовую ценность кондиционных аналогов в 1,41,8 раз.
После завершения процесса биоконверсии получаемым конечным
продуктом, может быть кормовая добавка, которая приобретает кормовые
свойства в 1,8-2,4 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества,
а также обладает рядом существенных и необходимых свойств, которыми
не обладает традиционное зерновое сырье.
Кормовые добавки используются как основной компонент при
производстве комбикормов, как добавку к грубым растительным кормам,
при производстве простых кормовых смесей с измельченным фуражным
зерном, отрубями.
Биодеструкция жировых отходов также позволяет не только решать
проблемы экологической безопасности, но и использовать отходы в
качестве полезных продуктов. Биодеструкция жира при использовании
эмульсии
«вода-жир»
позволяет
осуществить
переработку
крупнотоннажных отходов масложирового производства, содержащих
кроме масел и жиров минеральные компоненты. Полученные при этом
гидролизаты моно-, ди- и триацилгилцериды, жирные кислоты могут быть
в дальнейшем использованы в производстве резино-технических изделий в
качестве
вторичных активаторов вулканизации, диспергаторов
ингредиентов и мягчителей резиновых смесей и др.
Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Растительная биомасса - возобновляемый и легкодоступный источник
сырья. Основные ее компоненты - целлюлоза (2/3), крахмал,
гемицеллюлоза, лигнин. Лигнин - высокомолекулярный нерастворимый
трехмерный неупорядоченный ароматический полимер.
Рисунок 21. Строение лигнина
Целлюлоза - высокомолекулярный нерастворимый полимер глюкозы.
Рисунок 22. Строение целлюлозного волокна
Она является главным компонентом как растительной биомассы, так и
сельскохозяйственных,
бытовых
отходов,
а
также
отходов
деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.
Крахмал представляет собой смесь линейных и разветвлённых
макромолекул полисахарида, состоящего из амилозы и амилопектина.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 23. Крахмал
Ферментативное превращение целлюлозы перспективно не только с
точки зрения создания самостоятельных малоотходных технологий, но и с
позиции снижения экологической опасности различных производств
целлюлозно-бумажной промышленности и других производств,
перерабатывающих растительное сырье и образующих большое
количество отходов. Ежегодное производство древесины для изготовления
бумаги достигает 150 млн. тонн и постоянно возрастает, создавая тем
самым мощное давление на окружающую природную среду. Таким
образом, невостребованные сырьевые ресурсы для ферментативного
получения углеводов из целлюлозы огромны и постоянно возобновляются.
В основе биологической деградации лигноцеллюлозы лежит действие
целлюлолитических ферментов. Реакционная способность природных
целлюлозосодержащих материалов невелика, поэтому сырье для
ферментативного осахаривания целлюлозы должно иметь большую
поверхность, а микрофибриллярная структура целлюлозы должна быть
разрушена. Реакционную способность природных субстратов также
снижает наличие лигнина. Наиболее эффективным, а также дорогим и
энергоемким способом предварительной подготовки сырья является
размол. Поэтому для предобработки используют воздействие 0.5-2%
растворов щелочи, гамма-облучение, механо-термообработку в
разбавленной серной кислоте с последующей экстракцией лигнина и др.
методы.
Гидролиз можно проводить и биологическим способом, с помощью
ферментов, выделяемых грибами видов Trichoderma, Aspergillus,
Sporotrichum. Далее при использовании дрожжей можно получить спирт,
при использовании бактерий Klebsiella или Aeromonas - бутанол. Ряд
микроорганизмов рода Clostridium могут продуцировать уксусную и
молочную кислоты, лактат, ацетон из опилок, соломы, отходов сахарного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тростника. С помощью Trichoderma reesii биомасса разлагается до сахаров.
Ферменты и неразложившаяся целлюлоза поступают в повторные циклы, а
остаточный лигнин используется в качестве источника энергии для
перегонки спирта.
Еще один вид технологии состоит в прямом сбраживании
целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе
целлюлозы и гемицеллюлоз. Преимущества этой технологии заключаются
в следующем: помимо одновременной конверсии целлюлоз и пентоз в
этанол происходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения, а,
кроме того, необходимая предварительная обработка субстратов сводится
к минимуму.
При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз
можно получать этиловый спирт и сырье для химической
промышленности (фурфурол, фенолы, крезолы). 200 000 т надлежащим
образом переработанной соломы дают 50 000 т этанола и 20 000 т
фурфурола.
Термофилия определенных штаммов Clostridium (при оптимальной
температуре роста 65—75° С) создает известные преимущества, так как
стоимость перегонки этилового спирта и других растворителей
уменьшится, а это сделает производственный процесс более экономичным.
Одним их отходов сельского хозяйства является солома. Эти отходы
трудно использовать, так как скорость разложения соломы невелика.
Лучшая утилизация - инокулирование её ассоциацией целлюлолитических
грибов, азотфиксирующих и полисахаридообразующих бактерий. В таком
виде солому можно запахивать в землю как органическое удобрение, а
можно через определенное время использовать как высокобелковый
витаминизированный корм.
Биоконверсия отходов лесопромышленных предприятий и предприятий
переработки сельскохозяйственного сырья (целлолигнина) является новой
технологией, не имеющей аналогов в отечественном и зарубежном
промышленных производствах. Однако на практике, особенно
отечественной, широко распространена технология химической конверсии
целлолигнина, преследующая те же цели, что технология биоконверсии —
превращение целлюлозы в сахаристые вещества.
Технология химической конверсии предполагает перколяционный
гидролиз целлюлозосодержащих материалов горячей разбавленной серной
кислотой при температуре 150-180oС и при избыточном давлении 2.5-3.0
кгс/кв. см. Основными недостатками процесса перколяционного гидролиза
древесины являются образование крупнотоннажного отхода — лигнина и
низкое качество гидролизата с точки зрения микробиологического синтеза:
наличие в смеси и пентоз, и гексоз, а также заметных количеств
ингибирующих примесей, ограничивает применение гидролизата только
производством белково-витаминного концентрата (гидролизные дрожжи).
Во всех остальных биотехнологических производствах это сырье
оказывается неприемлемым, тем не менее, производительность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гидролизных аппаратов при химической конверсии составляет 5.4-18.0
г/л·ч, что на порядок выше, чем при биоконверсии — 0.6-1.1 г/л·ч при
одинаковом выходе по редуцирующим веществам от исходного сырья по
абсолютно сухим веществам соответственно 25-44 % и 25-48 %. Но
сравнение обеих технологий по некоторым показателям (качественная
характеристика получаемого продукта, отход лигнина и влияние на
окружающую природную среду) выдвигает биоконверсию как наиболее
перспективную технологию.
Однако, несмотря на многочисленные исследования, в настоящее время
ни в одной стране мира пока нет промышленных установок для
ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих материалов. Одной из
основных причин того, что процесс ферментативного гидролиза
целлюлозы пока не удается перевести на промышленный уровень, является
отсутствие высокопроизводительных и экономически эффективных
аппаратов и технологий для ферментативного гидролиза, сопоставимых с
уровнем аппаратов традиционной химической технологии.
Для того, чтобы технологии биоконверсии растительного сырья
экономически были выгодны для использования их в промышленном
производстве, исследователи ориентируются на получение продуктов,
которые
невозможно
получить
традиционными
химическими
технологиями переработки растительного сырья. По данным литературы
известно и описано немало технологий биоконверсии растительного сырья
с использованием многостадийных процессов для удешевления
нерентабельного процесса ферментативного гидролиза, являющегося
основным в технологии биоконверсии. При этом экономическая
характеристика той или иной технологии сильно зависит от
рентабельности сопутствующих процессов и способов их использования.
Так, например, сегодня рентабельными являются технологии,
предусматривающие: 1) ферментативный гидролиз растительного сырья
микроорганизмами, продуцирующими внеклеточные целлюлазы и
накапливающими белок за счет своего развития для получения кормового
и пищевого продукта; 2) совместное культивирование микроорганизмов,
продуцентов внеклеточных целлюлаз для ферментативного гидролиза
целлюлозы, и микроорганизмов, продуцентов целевого продукта
(кормовой белок, этанол, ферментные препараты и др. продукты) на
углеводах после ферментативного гидролиза.
Интересна биоконверсия чайных отходов твердофазной ферментацией.
Она осуществляется в следующей последовательности:
- подготовка сырья к ферментации (подсушка, дробление,
стерилизация);
- приготовление посевного материала;
- ферментация (культивирование);
- сушка;
- дробление и упаковка.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В зависимости от вида гриба и условий производства приготовление
посевного материала возможно также поверхностным культивированием
микроорганизмов. В этом случае технологическая схема несколько
видоизменяется. В частности, получение чистой культуры посевного
материала производится по следующей последовательности:
- выращивание маточной культуры в малых и больших колбах в
микробиологической лаборатории;
- выращивание посевной культуры на кюветах в растильных камерах —
отделение чистой культуры. Готовый посевной материал смешивается со
стерилизованным экстракционным жомом в смесителе-реакторе.
Очистка и подача воздуха в технологической линии осуществляются
воздушными фильтрами. В технологической линии предусмотрена также
установка для мойки и стерилизации растильных камер.
Биоконверсия отходов чайного производства в белковую биомассу
происходит довольно эффективно как с применением твердофазной, так и
глубинным методом культивирования, с использованием грибов и
дрожжей; хотя рост биомассы во всех случаях лимитирован, в
реакционной среде остается неиспользованной около половины исходной
целлюлозы.
Компосты из органических отходов
Компосты (нем. Kompost, итал. composta от лат. compositus —
составной) - это органические удобрения, получаемые в результате
разложения различных органических веществ под влиянием деятельности
микроорганизмов. При компостировании в органической массе образуются
ГВ: ГК, ФК и гумины, повышается содержание питательных
макроэлементов (азота, фосфора и калия), доступных растениям, а
микроэлементы становятся биодоступными. Кроме того, обезвреживается
патогенная микрофлора, погибают яйца гельминтов, и при этом
происходит многократное увеличение биомассы полезных почвенных
микроорганизмов.
Различают следующие виды конечных продуктов аэробной переработки
органических отходов:
- компосты - органические удобрения, полученные в процессе
компостирования при активном участии микроорганизмов;
- биокомпосты - компосты, полученные в результате переработки
органических отходов методом ускоренной твердофазной ферментации в
специальных камерах-ферментерах с применением специальных штаммов
микроорганизмов;
- вермикомпосты (червекомпост, копролит, вермигумус или биогумус) органические удобрения, полученные в процессе вермикомпостирования,
то есть компостирования с участием микроорганизмов в присутствии
некоторых видов дождевых червей (вермикультуры);
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- биоперегной – компосты, полученные в результате переработки
органических отходов при участии личинок некоторых видов
синантропной мухи;
- зоокомпосты – компосты, полученные в результате переработки
органических отходов с участием личинок копрофагов.
В литературе зоокомпостами называют часто компосты, полученные в
результате переработки органических отходов при участии личинок
некоторых видов синантропных мух, как правило, вида Musca domestica.
Из всех вышеприведенных видов субстратов - конечных продуктов
биоконверсии органических отходов, возможно при их дальнейшей более
глубокой переработке получать как ГП, так и комплексные гуминовые
биопрепараты, используя их как по отдельности, так и в сочетании друг с
другом.
Считается, что в процессе компостирования, представляющим собой
динамический многофазный микробиологический процесс, принимают
участие более 2000 видов бактерий и не менее 50 видов грибов.
Технологически правильно приготовленные компосты имеют двойную
ценность по сравнению с компостируемыми материалами. Для
производства биокомпостов требуются специальные устройства –
биоферментаторы модульного типа. Использование технологии
ускоренной ферментации в твердой фазе позволяет получать из
органосодержащих
отходов
в
течение
3-5
суток
зрелый
высококачественный биокомпост высокого нагрева. Это экологически
чистые субстанции - безопасные органические удобрения и полезные
почвоулучшители.
Существует разница в микробиологических активностях компостов и
вермикомпостов в пользу последних. Использование вермикомпоста (1520%) в составе почвогрунтов позволяет сократить сроки созревания
урожая до 7-10 дней, продлить сроки плодоношения растений на 2-3
недели и повысить урожайность в 1,5-2 раза. При этом в овощах
повышается содержание сахаров, витаминов и сухого вещества и, вместе с
тем, существенно снижается количество нитратов. Выращенные в
теплицах овощи и фрукты с использованием вермикомпоста имеют
практически такой же вкус и аромат, как полученные в естественных
условиях. Время хранения плодов увеличивается почти в 2 раза. Важно
отметить, что вермикомпосты обладают пролонгированным действием в
течение 3-4 лет после их однократного внесения в почву.
В последние годы во многих зарубежных странах получили очень
широкое распространение водные вытяжки или водные экстракты из
компостов и вермикомпостов, так называемые компостные и
вермикомпостные «чаи» (compost tea, vermicompost tea). Они в настоящее
время являются одними из экологически самых безопасных и недорогих
универсальных средств для оживления почвы, оздоровления растений и
борьбы с некоторыми фитопатогенами и насекомыми-вредителями.
Идеолог этой биотехнологии - д-р Элайн Ингхэм (Elaine Ingham). Она
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разработала методику оценки качества компостного «чая», которая
заключается в определении количества и процентного соотношения
основных групп почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы,
простейшие и нематоды).
Компостный и вермикомпостный «чаи» близки по своим свойствам.
Они содержат в себе как водорастворимые компоненты компоста или
вермикомпоста (ГК, ФК, органические кислоты, аминокислоты,
регуляторные пептиды, витамины, гормоны и другие продукты
жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в компостах или
вермикомпостах, так и живую почвенную (ризосферную) микрофлору.
Биофунгицидные свойства ему придают различные виды и типы
почвенных микроорганизмов. Присутствуют азотфиксирующие бактерии,
которые способны превращать атмосферный азот в аммонийные формы,
доступные растениям. Они содержат в себе как несимбиотические
аэробные формы бактерии родов Azotobacter, Azomonas, Mycobacterium и
Azospirillum так и симбиотические бактерии рода Rhizobia.
В лабораторных и полевых опытах было показано, что водные
экстракты из компостов и вермикомпостов существенно подавляют такие
фитопатогены: рода Verticillium (вилт, сухая гниль), рода Phomopsis
(черная пятнистость), рода Sphaerotheca (мучнистая роса), Uncinula
necator (мучнистая роса), рода Pythium (черная ножка), Rhizoctonia
(черная ножка), Plectosporium, рода Phytophthora (фитофтороз) и рода
Fusarium (фузариоз).
Механизмы подавления этих инфекций имеют микробную природу, так
как стерилизация компостов или
вермикомпостов устраняет эту
биологическую активность.
Однако жидкие водные биопрепараты, полученные
на основе
компостов и вермикомпостов имеют два существенных недостатка.
Во-первых, такие биопрепараты не подлежат хранению и должны
использоваться сразу после их приготовления. Это обусловлено тем, что
живая популяция почвенных аэробных микроорганизмов быстро погибает
в препарате при отсутствии кислорода воздуха после розлива и упаковки.
Поэтому в такие жидкие биопрепараты необходимо добавлять или
стабилизаторы, или консерванты для сохранения жизнеспособности
микроорганизмов.
Во-вторых, при получении водных вытяжек из компостов или
вермикомпостов в экстракт переходит очень малая доля исходного
субстрата (1-3%). Это обусловлено тем, что гранулы компостов и,
особенно вермикомпостов, обладают водопрочностью. Поэтому
необходимо использовать физические (механическое тонкое измельчение,
ультразвук или кавитация) или химические (изменение значение рН среды
в щелочную сторону) методы обработки, что приводит к разрушению
гранул этих субстратов и высвобождению в экстракт водорастворимых и
щелочерастворимых соединений, особенно ГК и ФК.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПИЩЕВАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Безотходные производства
Безотходная технология - технология, подразумевающая наиболее
рациональное использование природных ресурсов и энергии в
производстве, обеспечивающее защиту окружающей среды. Это принцип
организации производства вообще, подразумевающий использование
сырья и энергии в замкнутом цикле. Замкнутый цикл означает цепочку
первичное сырьё - производство - потребление - вторичное сырьё.
Принципы безотходной технологии:
- системный подход;
- комплексное использование ресурсов;
- цикличность материальных потоков;
- ограничение воздействия на окружающую среду;
- рациональная организация.
Отходы производства - остатки сырья, материалов и полупродуктов,
образующиеся при получении заданной продукции, которые частично или
полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам
(техническим условиям). Эти остатки после соответствующей обработки
могут быть использованы в сфере производства или потребления.
Хранение отходов в естественном виде возможно без потерь в течение
2-3 дней. При длительном хранении они теряют свои питательные
свойства, закисают, загнивают, забраживают, загрязняя окружающую
среду.
К малоиспользуемым в настоящее время отходам относятся:
фильтрационный осадок (дефекат) в сахарной промышленности,
последрожжевая и послеспиртовая барда в спиртовой отрасли,
картофельный сок в крахмальном производстве, табачная пыль, а также
углекислый газ брожения и вторичный газ брожения в спиртовой и
пивоваренной отраслях.
Ежегодно из образующихся в сахарной отрасли свыше 2 млн т дефеката
используется лишь 70 %. Для одного завода мощностью переработки свеклы 3
тыс. т в сутки требуется для складирования дефеката до 5 га земли. Из 5 тыс. т
картофельного сока используется лишь до 20 %. Углекислый газ брожения в
спиртовой отрасли используется на 20 %, остальное выбрасывается в
атмосферу, усиливая парниковый эффект.
Экологическое совершенствование производства предполагает экономию
потребляемых ресурсов окружающей среды и сокращение массы отходов,
размещаемых в ней. И то и другое достигается путем внедрения малоотходных
технологий, создания систем безотходного производства, вывода из
эксплуатации устаревших основных фондов, оказывающих негативное
воздействие на окружающую среду.
В настоящее время в значительной степени пересмотрены ранее
сформированные подходы к производству и качеству выпускаемой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пищевой продукции. Важно, что от этапа увеличения выпуска продукции
для удовлетворения растущих потребностей человека мы переходим к
этапу увеличения качества выпускаемой продукции при все возрастающих
требованиях к экологической чистоте производственных процессов.
Внедряются эффективные технологические процессы, разрабатываются
принципиально новые подходы к организации безотходных или
малоотходных энерго- и ресурсосберегающих технологий.
За рубежом активно ведут разработки по комплексному использованию
сырья и безотходной переработки образующихся вторичных ресурсов с
применением микробиологической биотрансформации сырья, главным
образом в направлении обогащения его белком, синтезируемым
бактериями, дрожжами или грибами в целях получения кормов, кормовых
и пищевых добавок.
В Японии при изготовлении пищевых продуктов используют кости
рыб, стебли конопли, кожуру цитрусовых, отруби, жмых, спиртовую барду
и пивную дробину. При получении кормов и удобрении в Японии
используют панцири креветок и крабов, рисовую шелуху, соевым жмых,
барду и обезжиренные бобы или остатки отжатого соевого творога «тофу».
В США при получении пищевых продуктов используют скорлупу
орехов (миндаль), сахарную мелассу, чайные остатки, жмых, остатки теста
и хлеба, подсырную сыворотку.
Великобритания в производстве продуктов питания рационально
использует шелуху какао бобов и кормовые белки из свекловичного жома.
В России также ведутся аналогичные исследования и внедряются в
производство. Например, свекловичный пектин используется при
производстве колбас, в молочной промышленности при изготовлении
кисломолочных напитков, творожных масс. Пищевые свекловичные
волокна могут найти применение и в кондитерской промышленности при
изготовлении хлебобулочных изделий, в том числе профилактического
назначения, при производстве готовых блюд, горчицы, соусов, супов,
кетчупов, изделий консервной и рыбной промышленности. При этом
снижается калорийность изделий, повышается их биологическая ценность,
экономится дорогостоящее основное сырье.
Одним из видов пищевых отходов, представляющих значительный интерес
для предприятий пищевой промышленности и заготовочных предприятий
общественного питания, являются выжимки ягод. Их следует рассматривать
как дополнительные источники ценнейших веществ природного
происхождения (сахара, органические кислоты, витамины, минеральные
вещества). Однако в большинстве случаях отходы соковых производств
используют на корм скоту, превращают в компост или просто сжигают.
Учитывая промышленные масштабы выращивания и переработки
черноплодной рябины, клюквы и брусники, а также содержание в
выжимках ценных биологически активных и пектиновых веществ,
переработка выжимок является актуальной задачей. С другой стороны,
решение этой задачи позволит улучшить комплексную переработку и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
использование сельскохозяйственного сырья, в частности, вторичных
продуктов производства.
В настоящее время при производстве мучных кондитерских и х/б, а
также колбасных и паштетных изделий используется традиционная
рецептура и традиционные технологические схемы производства.
Предложены различные варианты использования данных видов вторичных
сырьевых ресурсов для производства кулинарных, мясных, мучных
кондитерских и булочных изделий.
Разработаны рецептуры и технологии приготовления мясорастительных
паштетов с выжимками ягод брусники и клюквы, маринадов овощных и
овощей пассированных с выжимками ягод брусники, клюквы, жимолости,
облепихи.
Создание промышленных технологий производства концентрированных
белковых продуктов из растительного сырья - одно из основных
направлений увеличения ресурсов продовольствия и кормов, а также
безотходное производство.
В большинстве промышленно развитых стран (США, Японии, Бельгии,
Дании и др.) уже накоплен практический опыт по переработке бобовых с
получением белков и разнообразного ассортимента высококачественных
пищевых продуктов на их основе. Как правило, эти производства работают
по экологически чистой безотходной технологии, выпуская помимо
пищевых высококонцентрированных белков также высококачественные
корма и биологически активные препараты.
Современные технологии получения белковых продуктов из
растительного сырья строятся на двух основных технологических
подходах:
1. Глубокое фракционирование макронутриентов сырья с
максимизацией выхода белков, их очистка, концентрированно и при
необходимости модификация функциональных и медико-биологических
характеристик.
2. Оптимальное фракционирование макро- и микронутриентов сырья с
получением белково-липидных и белково-углеводных композитов
заданного состава с максимальным сохранением фитохимического
потенциала сопутствующих микронутриентов.
Для российской пищевой промышленности наибольший интерес
представляют белковые продукты из растительного шрота (изоляты,
концентраты, обезжиренная мука, текстурированные белки). Технологии
их производства можно отнести к первому подходу, так как при их
получении ставится задача достижения максимального выхода белкового
компонента после исчерпывающего извлечения липидов.
Изоляты и концентраты - более очищенные формы белков. Они
используются в питании без каких-либо ограничений и в совокупности с
другими пищевыми компонентами могут служить основным источником
белка в рационе человека.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В нашей стране традиционно развита рыбоперерабатывающая
промышленность, где возможности биотехнологии чрезвычайно широки.
Многочисленные исследования показали, что морепродукты особенно
богаты природными биологически активными веществами (БАВами),
которые могут быть использованы в качестве функциональных
ингредиентов. Это ферменты, витамины, аминокислоты, полиеновые
жирные кислоты, фосфолипиды, биополимеры и гормоны, а также
минеральные и др. вещества, играющие незаменимую роль в организме.
В создавшихся условиях обеспечение населения пищевыми продуктами
с повышенным лечебно-профилактическим эффектом, в том числе за счет
вовлечения
в
сферу
производства
морепродуктов,
включая
неиспользуемые биоресурсы, является актуальным. Отходы рыбной
промышленности также можно перерабатывать с дальнейшим получением
БАД, белков, экстрактов и др.
Воздействие
вредных
факторов
окружающей
среды,
несбалансированность современного питания (дефицит пищевых волокон,
белка, витаминов, минеральных солей микроэлементов) обостряют
потребность в специальных продуктах питания, проблему которых
частично может решить рациональное использование вторичного
пищевого
сырья,
являющегося
результатом
традиционных
технологических процессов производства пищевой продукции.
Производство макромицетов
Грибы – обширная группа микроорганизмов, включающая около 100
тыс. видов. Они широко распространены по всему земному шару и
встречаются как на суше, так и в водной среде. Сейчас все более
распространяется взгляд на грибы как на самостоятельное царство живых
организмов. К грибам относятся:
- микромицеты или микроскопические грибы (дрожжи, пенициллы,
аспергиллы и др.);
- макромицеты, которые в процессе роста и развития образуют
плодовые тела (трутовики, агариковые грибы и др.).
По способу питания все грибы – гетеротрофные организмы (нуждаются
для своего развития в готовом органическом веществе).
Черты растений: наличие плотной клеточной стенки, способность
вегетативного тела к неограниченному росту, неподвижность в
вегетативном состоянии, размножение при помощи спор.
Характеристика макромицетов
Грибы – слоевищные организмы. Вегетативное тело состоит из тонких
нитей – гиф, разветвленная система которых образует грибницу или
мицелий. Мицелий пронизывает субстрат и всей поверхностью поглощает
из него питательные вещества.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для большинства базидиомицетов характерно наличие плодовых тел,
которые могут иметь сложное строение. Зачатки плодовых тел –
примордии образуются на мицелии.
Грибы размножаются вегетативным, бесполым и половым путем. При
вегетативном размножении от мицелия отделяются неспециализированные
его части, например, обрывки гиф, и дают начало новому мицелию.
Бесполое размножение происходит при помощи специализированных
клеток или многоклеточных структур – спор, которые прорастают в
мицелий.
Самые популярные грибы – шампиньоны. Культивируемые сорта
превосходят обыкновенные дикорастущие по коммерческим признакам, а
гибриды, выращенные искусственно, отличаются коротким периодом
сбора, но высокой урожайностью, что является их преимуществом. Первое
упоминание о шампиньонах относится к 1550 г – монастырские летописи
(Париж).
Вторым по значимости для питания является гриб вешенка. Первые
попытки выращивания – 1887 г, Франция. В 1916 г – Германия, 1960 –
Венгрия. В настоящее время гриб представлен 39 видами. Шляпка
достигает диаметра 30 см, неправильно округлая, гладкая, волокнистая, в
молодом возрасте – темноокрашенная, затем серая с сизоватым оттенком.
Пластинки белые, беловатые, споры цилиндрические, ножка белая
плотная, в основании часто волосистая. Гриб чаще всего произрастает на
буке, тополе, осине.
Грибы – ценный пищевой продукт. По питательности приравниваются к
хорошо выпеченному хлебу, фруктам и овощам.
Рисунок 24. Питательная ценность грибов
По химическому составу съедобные грибы отличаются от продуктов
растительного происхождения:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- углеводы: отсутствует крахмал, есть гликоген и сахара (в ножках
больше, чем в шляпках);
- белковые соединения: азотистых веществ больше, чем в мясе, яйцах,
горохе, ржи (в шляпке больше, чем в ножке), содержат 17 и 22
аминокислот, в том числе 8 незаменимых;
- жиры: от 1 до 6 %. Это лецитин, провитамин Д, некоторые жирные
кислоты (наибольшее количество в шляпке). Хорошо сбалансированы и
легко усваиваются организмом;
- каротин, витамины Д, С и группы В, десять макро- и микроэлементов
(Ca, P, Mg, Na, Fe, S, Cl и др).
В настоящее время промышленное культивирование съедобных грибов
– мощная индустрия, которая соединяет традиционные черты сельского
хозяйства и современной биотехнологии.
Культивирование вешенки – безотходное производство. Это
технология, которая обеспечивает эффективную утилизацию субстратов,
засоряющих и загрязняющих окружающую среду. Используют в качестве
сырья для культивирования – органические отходы, которые после
отработки применяют как органическое удобрение, как субстрат для
вермикультуры или как питательную добавку в корма с/х животным.
Рисунок 25. Утилизация отходов производства вешенки
Вешенка обладает высокой сорбционной способностью и освобождает
организм человека от тяжелых радиоактивных металлов, является
источником органического железа, стимулирующего кроветворные
процессы. Экстракты вешенки применяют для профилактики гипертонии и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
атеросклероза, гепатите и язве желудка, он снижает холестерин и обладает
противоопухолевым действием.
Интенсивные способы культивирования грибов предусматривают
выращивание в специально оборудованных помещениях, где имеется
возможность регулировать условия микроклимата, соответствующего
потребностям жизнедеятельности грибов. Преимуществом данного метода
является то, что он позволяет выращивать грибы вешенку круглый год и
получать более высокие урожаи.
Рисунок 26. Выращивание вешенки
Важнейшим этапом в приготовлении субстрата для выращивания вешенки
является стерилизация. Это необходимо для подавления и уничтожения,
находящихся в субстрате микроорганизмов, сдерживающих развитие вешенки.
Самым надежным способом стерилизации субстрата, обеспечивающем гибель
всех имеющихся микроорганизмов, является обработка его в автоклаве при
температуре свыше 120 град. Однако такой способ требует больших
финансовых затрат и практически трудно достижимый.
Для подавления в субстрате вредных микроорганизмов и плесневых
грибов-конкурентов вешенки его необходимо стерилизовать. Одним из
самых эффективных способов частичной стерилизации субстрата
считается пастеризация. Это сложный этап включающий в себя два
основных процесса - физический и микробиологический. В результате
которого происходит стимуляция роста и развития полезной
термофильной микрофлоры и подавление вредной.
Субстрат после термической обработки или пастеризации помещают в
перфорированные полиэтиленовые или полипропиленовые мешки,
специальные контейнеры или выстланные пленкой ящики для дальнейшей
инакуляции мицелием. Данный этап выращивания вешенки также требует
соблюдения стерильности и правил фитосанитарных норм. Инакуляцию
следует проводить в помещениях предварительно дезинфицированных и
обработанных кварцевыми лампами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плодоношение - завершающий этап в искусственном культивировании
вешенки. После инкубационного периода, проросшие мицелием грибные
блоки переносят в выростное помещение, где создают специальные
условия микроклимата, соответствующего
благоприятному росту
плодовых тел вешенки. Как и на предыдущих стадиях производства,
основными параметрами для нормального плодоношения являются:
температура, влажность воздуха, вентиляция и освещение.
Рисунок 27. Культивирование вешенки
Под экстенсивными способами выращивания подразумевают разведение
грибов в естественных природных условиях. Эти способы широко
практикуются в Германии, Италии, Франции и др. Технология выращивания
грибов экстенсивным методом не требует больших финансовых затрат, так как
в качестве субстрата используют различные виды древесины (в основном
низкокачественной), отходы деревоперерабатывающей промышленности
(опилки, стружку, кору), пни, ветки, солому, сено.
Выращивание вешенки на древесных отрезках: относится к экстенсивным
методам и является самым простым и часто применяемым в малых
грибоводческих хозяйствах и приусадебных участках при любительском
культивировании грибов. В качестве питательной среды (субстрата)
используют отрезки малоценных пород древесины : тополя, осины, березы,
ивы и др., а также всех плодовых деревьев и ореха. Как и все остальные
способы выращивания грибов данный метод имеет свои преимущества и
недостатки.
Еще один способ экстенсивного выращивания вешенки - это
выращивание на спрессованных тюках соломы. Для этого способа
культивирования используют любую солому злаковых культур - озимой и
яровой пшеницы, ячменя, овса, риса. Данный способ выращивания
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вешенки используется исключительно в любительском грибоводстве.
Благодаря простоте и дешевизне технологического процесса,
культивировать грибы можно в любых хозяйствах и приусадебных
участках.
Для искусственного разведения вешенки пригодны производственные
помещения по своим техническим характеристикам схожие на помещения
для выращивания шампиньонов. Единственным существенным отличием
является то, что шампиньоны могут расти в полной темноте, тогда как для
выращивания вешенки необходимо обеспечить естественное или
искусственное освещение на протяжении 8-12 часов в сутки (как в
природе).
Сущность процесса интенсивного разведения разновидностей грибов
вешенка заключается в следующих действиях: субстрат размельчали за
несколько дней до применения, увлажняли до 65–70%, сразу же
вакцинируя защитной микрофлорой. Микрофлору вносили в виде
заблаговременно приготовленной суспензии из расчета 5 л/ц сырья. По
мере необходимости контролирования рН в 100 л увлажняющей воды
растворяли 0,7–1 кг водянистой гашеной извести.
Промышленное выращивание всем нам известных грибов вешенка
представляет особый интерес в большей степени при интенсивной системе
ее культивирования. Интенсивные методы различаются от экстенсивных
главным образом субстратом (отходы агропромышленного комплекса и
деревообрабатывающей индустрии), а также временем выращивания, ведь
весь процесс продолжается 8-10 недель, в отличие 4-5 лет при
экстенсивных способах выращивания грибов.
Для наиболее эффективного производства грибов вешенки нужно
выбрать помещение площадью не менее 300 кв.м, где можно разместить
около 1000 грибных блоков. При средней урожайности 2-3 кг с одного
грибного блока урожай за один культурооборот составит в среднем 2,5-3
тонны грибов. В расчете на квадратный метр площади помещения
урожайность на одном культурообороте составляет 10-12 кг. грибов.
Промышленное производство шампиньона включает два этапа:
1) выращивание мицелия гриба;
2) посев мицелия на подготовленный компост и получение плодовых
тел.
Процесс производства коммерческого зернового мицелия шампиньона
длится от 48 до 75 дней и начинается с посева мицелия с матричной
пробирки на твердую агаризированную среду, затем – посев мицелия с
твердой среды на жидкую, посев жидкого мицелия на зерно – получение
промежуточного мицелия, посев промежуточного мицелия на зерно –
получение коммерческого зернового мицелия.
Основные этапы: подготовка субстрата; закладка компоста и посадка
грибницы; обеспечение микроклимата и уход; сбор и реализация грибов;
санитарная профилактика помещений.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 28. Выращивание шампиньона
Приготовление субстрата для выращивания шампиньонов: в современных
грибоводческих предприятиях традиционно, в качестве субстрата используют
компост. Шампиньоны очень требовательны к качеству питательной среды,
поэтому приготовление субстрата - очень ответственный и трудоемкий этап в
производственном процессе.
Следующий этап в культивировании шампиньонов - это высаживание
посевного материала в подготовленный компост. Компост слоем 25-30 см
укладывают в ящики, стеллажи, специально устроенные грядки. На один
квадратный метр полезной площади расходуется примерно 100 кг.
компоста.
Заключительный этап в культивировании шампиньонов - сбор урожая.
Грибы собирают аккуратно, стараясь не повреждать грибницу, а место, где
они росли, сразу же присыпают покровной землей. За время
плодоношения, которое длится в среднем 2-4 месяца можно собрать от 4-5
до 10-12 кг шампиньонов с 1 кв.м полезной площади.
Наибольшее
распространение
получили
однозональная
и
многозональная системы выращивания шампиньонов. При первой все
процессы от подготовки субстрата до сбора урожая грибов
осуществляются в одном помещении (зоне).
Многозональная система выращивания шампиньонов: культивирование
шампиньонов на стеллажах. Эта система послужила первым шагом к
созданию специальных помещений для выращивания шампиньонов.
Культивирование шампиньонов на стеллажах распространено в
Нидерландах, на Тайване и частично в США. Обычно стеллажи строят в 5
этажей, при этом нижний стеллаж поднят над полом на 25 см.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 29. Системы выращивания шампиньонов:
а – однозональная; б – многозональная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МЕТАНОГЕНЕЗ
Метаногенные бактерии, характеристика, особенности
Известно, что при полной утилизации отходов сельского хозяйства
образуется столько же энергии, сколько требуется всему сельскому
хозяйству. Так, 47% затраченной энергии в молочном животноводстве
переходит в навоз. Также, большое количество энергии содержит
органическая биомасса, образующаяся в процессе сельскохозяйственного и
пищевого производства. Чтобы добыть эту энергию, в настоящее время
используют способность некоторых микроорганизмов образовывать метан
из различных органических соединений.
Метановое «брожение», или биометаногенез – превращение биомассы в
энергию. Был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие
метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса,
представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1%
сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и
закиси углерода. Он дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Энергия,
заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м 3 природного
газа, 20,8 л нефти.
Метанообразование – сложный процесс, который происходит под
действием микроорганизмов. Состав микробных клеток в метаногенезе
тесно связан с фазами брожения. В процессе биометаногенеза участвуют
три группы бактерий. Первые превращают сложные органические
субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; вторые
превращают эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и
углекислый газ, а затем метанобразующие бактерии восстанавливают
углекислый газ в метан с поглощением водорода. В 1967 г Брайант и др.
установили, что уксуснокислые и метанобразующие микроорганизмы
образуют симбиоз, который ранее считался одним микробом.
Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии
водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к
кислороду и ингибиторам производства метана. Даже минимальные
количества кислорода для них губительны. Метаногены требуют более
длительного времени для воспроизводства. В природных условиях
метанобактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями: эта
ассоциация выгодна для обоих типов бактерий. Первые используют
газообразный водород, продуцируемый последними; в результате его
концентрация снижается и становится безопасной для водородобразующих
бактерий. Метаногенных бактерий известно более 30 видов, они
принадлежат к 14 родам и 6 семействам. Они принадлежат к древнейшему
царству – архибактериям. У них маленький геном, особенная
последовательность нуклеотидов, энергию они получают при
восстановлении СО 2. Метаногены осуществляют следующие реакции:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4НСООН → СН4 + 3СО2 + 2Н2О
СН3СООН → СН4 + СО2
4/3 СН3ОН → СН4 + 1/2СО2 + 2/3Н2О
4/3СН3NН2 + 2/3Н2О → СН4 + 1/3СО2 + NН3
Технологическая схема метаногенеза. Механизм метаногенеза
Метановое
«брожение»
происходит
в
водонепроницаемых
цилиндрических цистернах (дайджестерах) с боковым отверстием, через
которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером
находится стальной цилиндрический контейнер, который используется для
сбора газа. Нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер
препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен
происходить в строго анаэробных условиях. Как правило, в газовом куполе
имеется трубка для отвода биогаза. Дайджестеры изготовляют из глиняных
кирпичей, бетона или стали. Купол для сбора газа может быть изготовлен
из нейлона. Нейлоновый мешок обычно соединен с компрессором для
повышения давления газа. Дайджестеры обычно загружают в землю,
чтобы использовать изоляционные свойства почвы.
Технологический процесс обработки навоза осуществляется следующим
образом: из животноводческого помещения навоз поступает в
накопительную емкость, далее фекальным насосом его загружают в
метантенк (емкость для анаэробного сбраживания навоза). Биогаз,
образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер и далее к
потребителю. Для нагрева навоза до температуры брожения и
поддержания теплового режима в метантенке установлен теплообменник,
через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле. Сброженный
навоз выгружают в навозохранилище.
Рисунок 30. Технологическая схема биогазовой установки для
переработки жидкого навоза: 1-животноводческое помещение, 2навозоприемник,3-насос, 4-метантенк, 5-газгольдер, 6-теплообменник, 7-котел, 8навозохранилище, 9-аэротенк
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 31. Механизм метанообразования
В метанообразовании различают три фазы:
- в первой фазе около 76% органических соединений трансформируется
в высшие жирные кислоты, 20% - в ацетат и 4% - в водород;
- во второй фазе из высших жирных кислот образуется примерно 52%
уксусной кислоты и 24% водорода;
- в третьей фазе метаногенные бактерии образуют 72% метана из
ацетата и 28% метана из водорода и диоксида углерода. Результаты
метанового брожения зависят от состава среды, условий ферментации и
качества микрофлоры (таблица 1):
Таблица 1- Оптимальные условия метанообразования
Показатель
рН
Температура, °С
Режим
Содержание летучих кислот
(по СН3СООН)
Общая щелочность
(по СаСО3)
Оптимальные значения
6,8 – 7,4
33 – 37
Постоянное перемешивание
Анаэробиоз
50-500 мг/л
1500-500 мг/л
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
До сих пор нет единого мнения о наиболее экономичном температурном
режиме анаэробного сбраживания. Максимальная температура процесса
зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30-40°С
или 50-60°С). Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и
снижает выход биогаза. Против закисления используют известь.
Экономическая эффективность зависит от конкретных условий региона и
хозяйства, где планируется их использование.
В результате метанового брожения образуется биогаз, состав которого
следующий:
- метан 55-70%;
- углекислый газ 27-44%;
- водород 1%;
- сероводород 3%.
Биогаз успешно применяется как топливо. Его можно сжигать в
горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит,
использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в
автотракторных двигателях.
При производстве электроэнергии из биогаза в электрический ток
преобразуется всего 30% его энергоресурса, остальная часть – отбросная
теплота. Ее можно использовать при нагревании воды для бытовых нужд и
содержания скота, отопления жилых помещений и теплиц, подогрева
воздуха для сушилок, а также нагрева навоза до нужной температуры
брожения в биогазовых реакторах.
Помимо биогаза, получается высоко эффективное органическое
удобрение. Метановое сбраживание навоза увеличивает популяцию
микроорганизмов,
обладающих
целлюлозолитической,
кислотообразующей,
аммонифицирующей
и
азотфиксирующей
активностью; увеличивается микрофлора, разрушающая гуминовые
кислоты и фульвокислоты. После анаэробной обработки в навозе
значительно уменьшается содержание пахнущих веществ (таблица 2):
Таблица 2 – Содержание пахнущих веществ
Соединения
Нативный навоз, %
Фенол
Крезол
Скатол
Масляная кислота
100
100
100
100
Сброженный навоз,
%
4
10
79
3
Кроме того, происходит усиленная минерализация азотных и
фосфорных соединений, которые становятся легкоусвояемыми.
Уничтожаются яйца гельминтов, патогенная микрофлора, уменьшается
концентрация солей тяжелых металлов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биогазовые установки и использование их в мире
Главным звеном биогазовой установки является реактор для
сбраживания навоза. В зависимости от типа реактора существуют
различные виды биогазовых установок.
Реакторы первого поколения – традиционные метантенки. Иногда
имеют две или более секций для разделения стадий сбраживания.
Работают по двум схемам:
- при непрерывной навоз загружают через определенные промежутки
времени (до 10 раз в сутки), удаляя такое же количество сброженной
массы;
- при периодической схеме метантенки (их обычно два) загружают по
очереди. При этом свежий навоз смешивают с остатками сброженного
навоза. Сброженный навоз выгружают и снова загружают свежий.
Метантенки считаются наиболее приемлемыми для получения биогаза
из жидкого или полужидкого навоза влажностью 91-96%.
Для обработки навозных стоков, избыточного активного ила, фугата и
осадков очистных сооружений применяются конструкции реакторов,
использующих принцип удержания биомассы – биофильтры. Биомасса в
анаэробных биофильтрах удерживается в виде флоккул и гранул,
расположенных в пустотах загрузочного материала (пластмассовые
изделия, гравий, щебень, шлак), а также в виде биопленки, прикрепленной
к его поверхности. Опыт применения подобных устройств незначителен.
Контактный реактор состоит из непрерывного загружаемого
резервуара с перемешивающим устройством и наружного устройства для
отделения биомассы (отстойника). Бактерии, находящиеся в реакторе в
виде флоккул, поддерживаются во взвешенном состоянии за счет
перемешивания. Смесь разделяется в отстойнике, удержанная биомасса
возвращается в реактор, где вновь смешивается с поступающим
субстратом.
В реакторах с рециркуляцией жидкости жидкая фракция возвращается
для поддержания нужного гидравлического режима, что обеспечивает
возможность обработки высококонцентрированного навоза.
Очистные сооружения, использующие анаэробное брожение для
обработки органических отходов, известны очень давно. Первый опыт
относится к 1895 году, когда в английском городе Экзетер был введен в
эксплуатацию септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо
чисто санитарных задач, эта установка обеспечивала получение биогаза,
который использовался для освещения улиц.
В настоящее время интерес к использованию биомассы в качестве
источника энергии возрастает. Многие страны используют опыт
биоконверсии органических удобрений, применяя более выгодные
технологические линии в экономическом аспекте. В США из всего объема
ежегодно образующегося на животноводческих фермах навоза
перерабатывается в биогаз.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В Германии в последние годы возобновились интенсивные разработки
метода анаэробного метанового сбраживания жидкого навоза.
В Великобритании доля биогаза потенциально составляет до 3,2% от
общего количества потребляемого в стране природного газа.
В сельском хозяйстве Японии ежегодно перерабатывается навозная
масса для получения биогаза в объеме 1,7 млрд.м 3 или 1 млн.т. нефти.
Большое значение производству биогаза придают в Швейцарии,
Венгрии, Франции, Финляндии и т.д.
Россия располагает значительными потенциальными возмоджностями
производства биогаза из навоза сельскохозяйственных животных. В нашей
стране используются установки «Истра», «КОБОС», «БФ-500», «БГУ».
Имеющийся опыт по внедрению процесса метаногенеза в
сельскохозяйственную практику показывает, что первое место пока
занимает его экологический аспект, затем следует эффект от получения
высококачественных удобрений и только третье место занимает
недооцениваемая энергетическая составляющая процесса.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ
ХОЗЯЙСТВЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Биотехнологические методы в растениеводстве
Повышение биологической продуктивности в сельском хозяйстве
является предметом активных исследований комплекса различных
биологических наук. Биотехнологические методы традиционно
используются в сельском хозяйстве для повышения плодородия почв,
борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и
животных,
приготовления
продовольственных
продуктов,
их
консервирования и улучшения питательных свойств. При этом удельный
вес биотехнологии для развития и повышения эффективности
традиционных сельскохозяйственных технологий постоянно возрастает.
В настоящее время особые перспективы в создании и распространении
новых культивируемых сортов растений обещает применение новейших
методов биотехнологии – клеточной и генетической инженерии. Усилия
биотехнологов направлены на увеличение выхода продукции и повышение
ее питательности, усиление устойчивости культивируемых биологических
видов к неблагоприятным условиям внешней среды, патогенам и
вредителям. При этом остается актуальной проблема поддержания
разнообразия среди культивируемых видов и сохранения генетических
ресурсов в целом.
Микроорганизмы играют большую роль в повышении плодородия
почвы, так как в процессе роста и развития улучшают ее структуру,
обогащают питательными веществами, способствуют более полному
использованию удобрений.
Интенсивное растениеводство обедняет почву азотом, так как
значительная его доля ежегодно выносится из почвы вместе с урожаем. С
древних времен для восстановления и улучшения почв существует
практика использования бобовых растений, способных в симбиозе с
азотфиксирующими микроорганизмами восполнять почвенные запасы
азота в результате диазотрофности. Большой положительный эффект от
возделывания бобовых вызвал постановку исследований явления
диазотрофности. Культивирование бобовых положительно влияет на
азотный баланс почв, также облегчает борьбу с эрозией и помогает
восстанавливать истощенные земли.
Технология получения азотных биоудобрений. Наиболее простой
способ инокуляции основан на использовании почвы после выращивания
на ней бобовых растений. Этот метод разработан в конце XIX века и
применяется до настоящего времени. Недостаток метода – необходимость
перемещения достаточно больших объемов почвы (100–1000 кг/га), а
также возможность распространения болезней.
Более эффективным оказалось применение для инокуляции семян
специальных препаратов азотфиксирующих бактерий. Клубеньковые
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бактерии рода Rhizobium, развиваясь в корневой системе бобовых
растений, в симбиозе с ними фиксируют атмосферный азот, обеспечивая
этим азотное питание растений. Процесс азотфиксации протекает только в
клубеньках на корнях бобовых растений, которые образуются в результате
проникновения бактерий через корневые волоски в корень.
Взаимоотношение бактерий с растениями зависит от комплекса условий,
включая физиологическое состояние и условия роста растений, а также
физиологическую активность и вирулентность бактерий. Под
вирулентностью понимают способность бактерий проникать внутрь корня
растений и вызывать образование клубенька.
Первая коммерческая разновидность культуры для инокуляции семян
(товарное название «Nitragin») была запатентована в Великобритании
Ноббе и Хилтнером в 1896 году. Для разных бобовых в то время
выпускали 17 вариантов культуры. В 20-е годы выпускалось много
разновидностей инокулятов, среди них были чистые культуры
азотфиксирующих микроорганизмов, смеси бактерий с песком или
торфом, а также культуры, выращенные на агаре или в жидкой среде.
В качестве носителя для бактерий были опробованы различные
композиции: смеси торфа с почвой, добавки люцерны и соломы,
перегнившие опилки, бентоит и активированный уголь. В настоящее время
для поддержания жизнеспособности симбиотических азотфиксирующих
бактерий используют разнообразные носители, но лучшим считается торф.
Сухие препараты азотфиксаторов, приготовленные на основе
клубеньковых бактерий рода Rhizobium и предназначенные для повышения
урожайности бобовых растений (гороха, фасоли, сои, клевера, люцерны,
люпина и др.) в настоящее время выпускаются под товарным названием
«Нитрагин». Помимо почвенного нитрагина, выпускают также сухой
нитрагин – препарат бактерий с содержанием в 1г не менее 9 млрд.
жизнеспособных клеток, в качестве наполнителя используют мел, каолин,
бентоит. Препараты сухого нитрагина с остаточной влажностью 5–7 %
фасуют по 0.2–1.0 кг и хранят при 15°С в течение 6 месяцев.
Аналог азотных удобрений – другой препарат азотфиксирующих
бактерий – «Азотобактерин», который выпускается промышленностью в
нескольких
вариантах.
Бактерии
рода
Azotobacter
являются
свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и обладают
высокой продуктивностью азотфиксации (до 20 мг/г использованного
сахара). Помимо связывания атмосферного азота, эти бактерии
продуцируют
биологически
активные
соединения
(витамины,
гиббериллин, гетероауксин и др.). В результате этого инокуляция
азотобактерином стимулирует прорастание семян и ускоряет рост и
развитие растений. Более того, Azotabacter способен экскретировать
фунгицидные вещества. Этим угнетается развитие в ризосфере растений
микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие растений.
Однако бактерии рода Azotobacter весьма требовательны к условиям
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среды, особенно концентрации в почве фосфатов и микроэлементов, и
активно развиваются в плодородных почвах.
В последние годы для изучения биологической азотфиксации стали
применять методы молекулярной биологии и новейшие методы генетики.
Установлена возможность с помощью колифага P1 размножать
свободноживущую азотфиксирующую бактерию Klebsiella pneumoniae М5
и с ее помощью трансдуцировать nif-гены (гены азотфиксации). Также
доказано, что перенос nif-генов возможен с помощью плазмид от штаммаазотфиксатора к штамму, не обладающему диазотрофностью. Обнаружены
конъюгативные плазмиды, несущие гены азотфиксации, относительно
легко передающиеся при конъюгации от штамма к штамму. После этого
появились надежды на получение методами клеточной и генной
инженерии растений, способных фиксировать атмосферный азот. Однако
перенос генов азотфиксации и их экспрессия является чрезвычайно
сложной задачей.
Снабжение растений фосфатами. Фосфатные ионы в почве, как
известно, не очень подвижны, поэтому вокруг корневой зоны растений
часто возникает дефицит фосфора.
Для улучшения питания сельскохозяйственных культур фосфатами
эффективен метод применения фосфоробактерина. Препарат получают на
основе спор культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum. Эти бактерии
превращают трудно усвояемые минеральные фосфаты и фосфорорганические
соединения (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды) в доступную для
растений форму. Следует отметить, что фосфоробактерин не заменяет
фосфорные удобрения и не действует без них. Положительный эффект от
применения фосфоробактерина не только связан с доставкой усвояемых
фосфатов к растениям, но обусловлен также действием биологически
активных веществ (тиамина, биотина, никотиновой и пантотеновой кислот,
витамина В12 и др.). Данные биологически активные вещества, попадая на
поверхность семян при инокуляции, а затем в ткани растения, стимулируют
фосфорное и азотное питание, то есть благоприятно действуют на развитие
растений на первых этапах.
Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и
болезнями сельскохозяйственных растений и животных
Практически одновременно с развитием животноводства и
растениеводства возникла проблема защиты культурных растений и
домашних животных от вредителей и болезней. Бурное развитие химии и
переход сельского хозяйства на интенсивные технологии привели к
появлению и применению огромного разнообразия химических веществ
для борьбы с вредителями и болезнями культивируемых видов.
Первоочередное место заняли пестициды – ядовитые химические
вещества, используемые для борьбы с вредителями, болезнями и
сорняками. Однако только небольшая часть (около 10 %) применяемых и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вносимых в окружающую среду пестицидов достигает цели; основная же
масса этих веществ вызывает гибель полезных организмов,
аккумулируется в биологических объектах, нарушает равновесие в
природных экосистемах и биоценозах, загрязняет почвы, водоемы, воздух.
Более того, вредители приобретают резистентность к пестицидам. Таким
образом, применение пестицидов вступило в явное противоречие с
глобальной проблемой защиты окружающей среды.
Большие перспективы среди разрабатываемых подходов имеют
биологические методы.
Использование микроорганизмов в качестве биопестицидов –
сравнительно новое направление биотехнологии, но уже имеющее
существенные достижения. В настоящее время бактерии, грибы, вирусы
находят все более широкое применение в качестве промышленных
биопестицидов. Технология производства этих препаратов весьма
различна, как различна природа и физиологические особенности
микроогранизмов-продуцентов. Однако имеется ряд универсальных
требований, предъявляемых к биопестицидам, основные их них:
селективность и высокая эффективность действия, безопасность для
человека и полезных представителей флоры и фауны, длительная
сохранность и удобство применения, хорошая смачиваемость и
прилипаемость.
Рисунок 32. Динамика производства микробиологических пестицидов
России
В настоящее время для защиты растений и животных от насекомых и
грызунов применяются, помимо антибиотиков, около 50 микробных
препаратов, относящихся к трем группам: это бактериальные, грибные и
вирусные препараты.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бактериальные препараты. К настоящему времени описано свыше 90
видов бактерий, инфицирущих насекомых. Большая их часть принадлежит
к семействам Pseudomonadaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae,
Micrococcaceae, Bacillaceae. Большинство промышленных штаммов
принадлежит к роду Bacillus, и основная масса препаратов (свыше 90 %)
изготовлена на основе Bacillus thuringiensis (Bt), имеющих свыше 22
серотипов. Штаммы Bt используют для борьбы с различными вредителями
– гусеницами, комарами, мошкой.
Препараты на основе Bt относятся к токсинам кишечного действия.
Типичными последствиями их воздействия являются паралич кишечника,
прекращение питания, развитие общего паралича и гибель насекомого.
Бактерии группы Bacillus thuringiensis эффективны в отношении 400 видов
насекомых, включая вредителей полей, леса, садов и виноградников.
Технология получения биопестицидов на основе энтомопатогенных
бактерий представляет собой типичный пример периодической
гомогенной аэробной глубинной культуры, реализующейся в строго
стерильных и контролируемых условиях. Цель процесса – получение
максимального урожая бактерий и накопление токсина.
Первый отечественный препарат получен на основе Bac. thuringiensis
var. dalleriae – энтобактерин. Эффективен против чешуекрылых
насекомых (капустной белянки, капустной моли, лугового мотылька,
пяденицы, шелкопряда, боярышницы и др.).
Дендробациллин является препаратом для защиты леса от сибирского
шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. Бактерия была
выделена из гусениц сибирского шелкопряда – вредителя хвойных лесов.
Этот препарат также эффективен для защиты овощных, плодовых и
технических культур от разных насекомых (совок, белянок, молей,
пядениц и др.).
Инсектин – по действию аналогичен дендробациллину, предназначен
для борьбы, главным образом, с сибирским шелкопрядом. Получен на
основе Bac. thuringiensis var. insectus.
БИП – биологический инсектицидный препарат, изготавливается в виде
сухого порошка и пасты на основе Bac. thuringiensis var. Darmstadiensis,
эффективен против вредителей плодовых (от яблочной и плодовой молей,
пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей).
Бактулоцид – бактерия, на основе которой выпускается данный
препарат, выделена из водоема. Применяется в жидком виде
разбрызгиванием по поверхности водоема. Высоко токсичен для личинок
комаров и мошек, но совершенно безопасен для других насекомых и
гидробионтов, обитающих в одном водоеме с комарами.
Новейшие биотехнологические методы могут способствовать
повышению эффективности бактериальных препаратов в результате
изменения плазмид в бактериях, контролирующих синтез белка.
Производство аспорогенных штаммов может упростить технологию
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ферментации и снизить стоимость препаратов. Возможно получение
биоинсектицидов с более специфичными мишенями.
Грибные препараты. Многочисленные виды энтомопатогенных грибов
широко распространены в природе; они поражают широкий круг
насекомых, обладая для этого различными механизмами, включая
контактный, что облегчает их применение. Грибы хорошо сохраняются в
виде спор и продуцируют разнообразные биологически активные
вещества, усиливающие их патогенность. Однако грибные препараты не
применяются пока достаточно широко. Это связано, во-первых, с
определенными технологическими трудностями, возникающими при их
культивировании, и во-вторых, обусловлено жесткими требованиями к
факторам окружающей среды (высокая активность грибных препаратов
проявляется только в условиях высокой и стабильной влажности).
Известны сотни видов энтомопатогенных грибов, но наиболее
перспективными считаются две группы грибов – мускаридные грибы из
Euascomycetes и энтомотрофные из семейства Entomophtohraceae.
Основное внимание привлекают следующие грибные патогены:
возбудитель белой мускардины (род Beauveria), возбудитель зеленой
мускардины (род Metarhizium) и Enthomophthora, (поражающий сосущих
насекомых).
Грибы, в отличие от бактерий и вирусов, проникают в тело насекомого
не через пищеварительный тракт, а непосредственно через кутикулу. При
прорастании конидий на кутикуле насекомого ростовые трубки могут
развиваться на поверхности или сразу начинают прорастать в тело, часто
этот процесс сопровождается образованием токсина.
Заражение насекомых грибными патогенами в отличие от других
микроорганизмов может происходить на различных стадиях развития (в
фазе куколки или имаго). Грибы быстро растут и обладают большой
репродуктивной способностью. Для того чтобы применение грибных
препаратов было эффективным, надо применять их в определенное время с
езона и в оптимальной концентрации.
Metarhizium anisopliae – наиболее известный энтомопатогенный гриб,
описанный более 100 лет назад как зеленый мускаридный гриб. Этот гриб
поражает многие группы насекомых, включая слюнного пастбищного
клопа и вредителя сахарного тростника. Есть данные о том, что с его
помощью можно бороться с коричневой цикадой – вредителем риса.
Verticilium lecanii является единственным грибным энтомопатогеном, на
основе которого на западе успешно выпускают препараты в
промышленных масштабах. Этот организм способен контролировать в
оранжереях численность тлей и алейроцид в течение нескольких месяцев.
Для
инфицирования
саранчи
используют
австралийский
микроскопический гриб Enthomophthora praxibuli. Саранча погибает в
течение 7–10 дней после применения препарата.
В Японии выпущен в продажу инсектицид на основе гриба Aspergillus
для защиты лесов от вредителей; препарат вносят в почву, он поглощается
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
корнями деревьев, распространяясь по сосудистой системе дерева,
защищает его от насекомых.
Боверин является отечественным грибным препаратом, который
изготавливают на основе конидиоспор Beauveria bassiana (Bals.) Vuill.
После заражения насекомого B. bassiana выделяет боверицин,
циклодепсипептид-токсин. Боверин безопасен для человека и
теплокровных, не вызывает ожогов у растений.
Перспективы грибных препаратов очевидны. Достижения последних
лет свидетельствуют о принципиальной применимости методов генной
инженерии для изучения физиологии, генетики и биохимии грибов. Э то
может привести к большему интересу к грибам как возможным
продуцентам биопестицидов и, следовательно, к созданию более стойких и
эффективных препаратов на их основе.
Вирусные препараты. Весьма перспективны для защиты растений
энтомопатогенные вирусы. Вирусы чрезвычайно контагиозны и
вирулентны, узко специфичны по действию, хорошо сохраняются в
природе вне организма-хозяина. Эти препараты вследствие высочайшей
специфичности практически полностью безопасны для человека и всей
биоты. Заражаются насекомые вирусами при питании. Попавшие в
кишечник тельца-включения разрушаются в щелочной среде.
Вирусы способны размножаться только в живой ткани организмахозяина. Это обстоятельство делает очень трудоемкой процедуру
получения вирусного материала в значительных количествах. Получают
вирусный материал при размножении вирусов в насекомых. После гибели
насекомых их массу измельчают, затем выделяют вирусный материал и
подвергают очистке.
Особое внимание при изучении вирусов было обращено на одну группу
вирусов – бакуловирусы. В этой группе отсутствуют вирусы, патогенные
для позвоночных. Однако другие группы – вирусы цитоплазматического
полигедроза, энтомопатогенные вирусы и иридовирусы – содержат
потенциальные биопестициды против насекомых, поэтому сейчас
рассматриваются как перспективные биопестициды.
Первый вирусный инсектицид был выпущен компанией «Сандоз» в 70-е
годы. Препарат предназначен для борьбы с коробочным червем
хлопчатника.
Производство вирусных препаратов основано на массовом размножении
насекомого-хозяина на искусственных средах. На определенной стадии
развития насекомое заражают, добавляя суспензию вирусов в корм. Спустя
7–9 суток погибших гусениц собирают, высушивают и измельчают. В
измельченную массу добавляют физиологический раствор (1 мл на 1
гусеницу), взвесь фильтруют. Осадок суспендируют в небольшом
количестве физиологического раствора и заливают глицерином. Препарат
стандартизуют и разливают во флаконы.
Существует два метода применения вирусных препаратов: интродукция
вирусов в плотные популяции насекомых на сравнительно небольших
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
площадях и обработка зараженных участков путем опрыскивания или
опыления на ранних стадиях развития личинок.
Видовое название энтомопатогенных вирусов состоит из группового
названия и поражаемого хозяина (например, «полиэдроз непарного
шелкопряда» или «полиэдроз американской бабочки»).
Отечественной промышленностью выпускается несколько вирусных
препаратов; в том числе «вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой
плодожорки), «вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда), «виринЭНШ» (против непарного шелкопряда), «вирин-ЭКС» (против капустной
совки). В США усовершенствован процесс производства нескольких
вирусных препаратов для защиты лесов («ТМ-Биоконтрол» и «Циптек»).
Вследствие достаточной трудоемкости производства эти препараты
пока не нашли массового применения. Специалисты считают, что
потребуются годы, чтобы вирусные препараты смогли занять значительное
место на рынке биопестицидов.
Биогербициды. К последним относятся микроорганизмы-патогены
растений, ферменты, а также полупродукты, получаемые биоконверсией.
Для борьбы с отдельными видами сорняков, устойчивых к химическим
препаратам, применяют специфические и токсичные для них
микроорганизмы. Наиболее часто используют грибные фитопатогены и
грибные фитотоксины.
США и Япония совместно разрабатывают получение биогербицидов на
основе природных микроорганизмов для борьбы с сорняками сои, арахиса,
риса. Phytophthora palmivora - для борьбы с повиликой. Начали
производство биогербицида на основе билафоса, продуцируемого
штаммом Streptomyces hydroscopicus. Препарат обладает широким
спектром действия, нарушает азотный обмен в листьях и стеблях сорняков.
Наряду с биогербицидами, для защиты растений все шире применяют
биологические препараты для борьбы с возбудителями заболеваний. На
основе бактерий Pseudomonas fluorescens получен препарат «P-2-79»,
подавляющий развитие свыше 40 видов микроорганизмов, поражающих
пшеницу, ячмень, рожь. На основе Pseudomonas проводят защиту семян
сорго и кукурузы от антрактоза и ризоктониоза; хлопчатника и сои – от
вилта и ряда других заболеваний.
Для борьбы с фитофторозом яблонь предложен способ применения
почвенной бактерии Enterobacter aerogenes.
Защита многих овощных культур от заболеваний, вызываемых
некоторыми видами микроскопических грибов, обеспечивается
применением препарата на основе культур Trichoderma polysporum, T.
viride.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Технологическая схема очистки промышленных сточных вод.
К условно чистым относятся воды, прошедшие теплообменные
аппараты, в них не происходит изменения состава, а только температуры.
Остальные производственные стоки относятся к загрязненным.
Загрязненные промышленные стоки характеризуются присутствием
органических и неорганических веществ.
Загрязненность промышленных стоков и расход кислорода на процесс
бактериального окисления органических веществ характеризуются
биологическим потреблением кислорода (БПК), выражаемым в
миллиграммах О2 на 1 л анализируемой жидкости: БПК.
После сброса очищенных сточных вод содержание взвешенных веществ в
водоеме не должно увеличиваться более чем на 0,25-0,75 г/м3, а содержание
органических веществ (по БПК2о) не должно превышать 3-6 г/м3 в водоемах
для питьевого и культурно-бытового водопользования и 2 г/м 3 в водоемах
рыбохозяйственного значения, в которых, кроме того, содержание
растворенного кислорода не должно падать ниже 4-6 мг/л.
Способы очистки сточных вод разделяются на механические, физикохимические, биологические, термические (тепловые).
Биологическая очистка является одним из основных методов очистки
сточных вод заводов микробиологической промышленности как перед
сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах
оборотного водоснабжения. Считается, что микроорганизмы способны
окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно
синтезированных, которым нет аналогов в природе. Наименее доступными
источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода
- углеводороды, но они также расщепляются микроорганизмами активного
ила. В том числе - входящие в состав ила.
Биологическую очистку проводят в аэротенках или в биоокислителях с
интенсивной аэрацией среды. При этом снижается ВПК, за счет окисления
органических веществ и нарастает биомасса микроорганизмов. Очищенные и
осветленные сточные воды поступают в водоем и на рециркуляцию в
производство, а активный ил, например, производства БВК, являясь
источником белка и витаминов, упаковывается в бумажные мешки и
направляется к потребителю.
Наиболее распространенная схема включает первичную и вторичную очистку. Первичная очистка заключается в механическом отделении загрязнений.
Вторичная очистка предусматривает очистку сточных вод в системе
очистных сооружений (биоокислителях), либо очистку сточных вод в
естественных условиях на полях орошения. Для повышения эффективности
действия и снижения ВПК сточных вод вводится биокоагуляция
(предварительная аэрация с добавлением ила из вторичных отстойников).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 33. Цикл биологической очистки сточных вод
Конструктивно предаэратор представляет собой аэротенк - резервуар
прямоугольной формы, в котором временно пребывает сточная вода (10-20
минут). При их использовании снижается количество органических веществ
в стоках, поступающих на аэротенки, до 15%.
Рисунок 34. Схема аэротенка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первичные отстойники устанавливаются перед аэротенками, где вода пребывает 1-2 часа. В них накапливается избыточный активный ил, который
потом извлекается насосами и подсушивается на иловых площадках до
влажности 70-80 %. Далее вода поступает в аэротенки.
Аэротенки предназначены для биологической очистки сточных вод, которые попадают в них после первичных отстойников. Работа аэротенков
основана на использовании биохимического окисления органических
веществ аэробными микроорганизмами, колонии которых образуют так
называемый активный ил.
Для сгущения активного ила, поступающего со вторичных отстойников,
используют гравитационные илоуплотнители. За 10-20 часов активный ил с
влажностью 99-99,2% уплотняется до влажности около 97%. Вследствие
длительного уплотнения часть ила может загнивать, всплывать и уноситься в
водоемы. Необходимо соблюдать режим илоуплотнения. Сушка
уплотненного ила с получением товарного продукта является конечным
этапом очистки сточных вод. Для сушки активного ила могут быть ис пользованы барабанные, вальцовые, ленточные и распылительные сушилки.
Рисунок 35. Схема аэробной очистки промышленных стоков:
1- усреднитель; 2- отстойник; 3-аэротенк; 4- регенератор ила;
5- отстойник ила; 6- уплотнитель ила.
Для снижения загрязнений в стоках, оставшихся после аэротенков и вторичных отстойников, служат биологические пруды. Продолжительность
пребывания в них сточных вод может превышать 10 суток. Глубина прудов
составляет 2-3 м. Они занимают большие площади. В биологических прудах
развиваются одноклеточные водоросли, которые выделяют метаболиты,
обладающие бактерицидным действием по отношению к патогенной
микрофлоре. Аналогичные метаболиты выделяются и высшей водной
растительностью. Поэтому летом вода, выходящая из биопрудов, не требует
хлорирования.
Степень очистки сточных вод в биологических прудах по БПК,
изменяется в пределах 78,9%.
Принцип действия аэробных систем биоочистки. Микроорганизмы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Он базируется на методах проточного культивирования. Процесс
удаления органических примесей складывается из нескольких стадий:
массопередачи органических веществ и кислорода из жидкости к
клеточной поверхности, диффузии веществ и кислорода внутрь клеток
через мембрану и метаболизма, в ходе которого происходит прирост
микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты. Интенсивность
и глубина биологической очистки определяется скоростью размножения
микроорганизмов. Когда в очищаемых сточных водах практически не
остается органических веществ, наступает второй этап очистки –
нитрификация. В ходе этого процесса азотсодержащие вещества стоков
окисляются до нитритов и далее – до нитратов.
Таким образом, аэробная биологическая очистка складывается из двух
этапов: минерализации – окисления углеродсодержащей органики, и
нитрификации. Появление в очищаемых стоках нитратов и нитритов
свидетельствует о глубокой степени очистки. Большинство биогенных
элементов, необходимых для развития микроорганизмов (углерод,
кислород, сера, микроэлементы), содержится в сточных водах. При
дефиците отдельных элементов (азота, калия, фосфора) их в виде солей
добавляют в очищаемые стоки.
В процессах биологической очистки принимает участие сложная
биологическая ассоциация, не только состоящая из бактерий, но также
включающая одноклеточные организмы – водные грибы, простейшие
организмы
(амебы,
жгутиковые
и
ресничные
инфузории),
микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды,
водные клещи) и др. Эта биологическая ассоциация в процессе
биологической очистки формируется в виде активного ила или биопленки.
Микроорганизмы активного ила
Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus,
Bacterium, Corynebacterium, Micrococus, Pseudomonas, Sarcina и др.
Bacillus
Окисление
Окисление
Спирты, жирные кислоты, парафины,
ароматические углеводороды, углеводы и др.
Алифатические
углеводороды
Bacterium
Деградация
Нефть, парафины,
нафтены, фенолы,
альдегиды, жирные кислоты
Рисунок 36. Биологическая ассоциация активного ила
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Активный ил представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150
мкм, взвешенные в воде, и образован колониями микроорганизмов, в том
числе, бактериями. Последние формируют слизистые капсулы – зооглеи.
Биопленка – это слизистое обрастание материала фильтрующего слоя
очистных сооружений живыми микроорганизмами, толщиной 1–3 мм.
Капельный биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с
неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу,
это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости.
Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностью
насадки или фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность
для развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает
необходимые газодинамические свойства слою и способствует
прохождению воздуха и жидкости через него.
Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые
сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде
колосниковой решетки и нижним, – сплошным. Дренажное дно
биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не
менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим
материалом обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак.
Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен
содержать более крупные частицы фильтрующего материала (размером
60–100 мм). Щебеночные биофильтры имеют высоту слоя 1.5 – 2.5 м и
могут быть круглыми с диаметром до 40 м или прямоугольными размером
75×4 м2. Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с
помощью водораспределительного устройства периодически равномерно
орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через
материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных
процессов:
1) контакт с биопленкой, развивающейся на поверхности частиц
фильтрующего материала;
2) сорбция органических веществ поверхностью микробных клеток;
3) окисление веществ стоков в процессах микробного метаболизма.
Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости продувается
воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая
способность биопленки восстанавливается. Биопленка, формирующаяся на
поверхности фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой
сложную экологическую систему.
Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с
микроорганизмами – окислителями углерода они развиваются в верхней
части биофильтра. Нитрификаторы находятся в нижней зоне
фильтрующего слоя, где процессы конкуренции за питательный субстрат и
кислород менее выражены. Простейшие, коловратки и нематоды,
питающиеся бактериальной компонентой экосистемы биопленки, служат
пищей высшим видам (личинкам насекомых). В биофильтре происходит
непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная
вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц
биопленки, и долее сбрасывается в водоем. Процесс окисления
органических веществ сопровождается выделением тепла, поэтому
биофильтры обогреваются за счет собственного тепла. Крупные установки,
снабженные
слоем
теплоизоляционного
материала,
способны
функционировать при отрицательной температуре внешней среды. Однако
температура внутри фильтрующего слоя должна быть не ниже 6°С.
Основной режим работы щебеночных биофильтров – однократное
прохождение стоков. При этом нагрузка по органическому веществу на
фильтр составляет 0.06 – 0.12 кг БПК/м3 в сутки. Для повышения нагрузки
без увеличения площади биофильтра применяют режим очистки с
рециркуляцией стоков или режим двойного фильтрования.
Виды биореакторов и их применение
На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов
пришли пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной
поверхности фильтрующего слоя большую пористость и лучшие
гидродинамические свойства слоя. Это позволило строить высокие, не
занимающие много места биореакторы и очищать промышленные стоки с
высокой концентрацией загрязняющих веществ. Удельная поверхность
пластмассовых насадок, используемых для быстрого фильтрования, выше,
чем у щебеночных биофильтров.
Щебеночные биофильтры, имея более низкую объемную плотность,
могут достигать высоты до 8–10 м. Этот тип биореактора при быстром
режиме фильтрации стоков обеспечивает степень удаления 50–60 % БПК.
Для более высокой степени очистки применяют каскад биофильтров. В
1973 году в Великобритании был создан вращающийся биологический
реактор, представляющий собой вращающиеся диски – «соты» из
пластиковых полос, попеременно погружаемые в сточные воды и
поднимаемые на поверхность. При этом площадь поверхности контакта с
биослоем существенно возрастает и улучшается аэрация.
Более совершенным типом биореактора с неподвижной биопленкой
является реактор с псевдоожиженным слоем, характеризующийся
наличием носителя, покрытого микробной пленкой, достаточного для
создания псевдоожиженного слоя восходящего потока жидкости. Реактор
имеет систему подачи кислорода и устройство, обеспечивающее
практически горизонтальное распределение потока жидкости в слое
носителя. В качестве носителя в таких биореакторах может быть
использован песок, через который пропускается кислород (система
«Окситрон»). Применяют также волокнистые пористые подушечки с
системой подачи кислорода в самом аппарате (установка «Кептор»).
Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важное
условие для эффективной работы биофильтров – тщательная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных
засорить распределительное устройство. Неблагоприятными моментами в
эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение
мух на поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного
образования микробной биомассы.
Рисунок 37. Схема мембранного биореактора:
1 - реактор, 2 - аэратор, 3 - половолоконные мембраны, 4 - воздух, 5 - очищенная вода,
6, 9 - насосы, 7 - манометр, 8 - фильтрат
В настоящее время около 70 % очистных сооружений Европы и
Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких
биореакторов исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток
конструкции – избыточный рост микробной биомассы. Это приводит к
засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки. Предложенная
недавно модификация представляет собой установку с чередующимся
двойным фильтрованием. Система рециркуляции позволяет исключить
негативные моменты, характерные для биофильтров.
Процессы биоочистки в аэротенке
Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция
биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд
прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк разделяется
продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3–4.
Конструкционные различных ряда типов аэротенков связаны, в основном,
с конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной
нагрузки.
Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов. Первый этап
заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, содержащих
около 150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических
веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
некоторого времени (от 4 до 24 ч и выше в зависимости от типа стоков,
требований к глубине очистки и пр.). На втором – происходит разделение
вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике.
Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на
первом этапе реализуется в две стадии: на первой микроорганизмы
активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй –
окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.
Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через
пористые железобетонные плиты или через систему пористых
керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство
располагают не по центру, а около одной их стен коридора. В результате
этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не
только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали
внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки.
Процесс очистки в аэротенке представляет собой непрерывную
ферментацию. Частицы активного ила, образованные бактериями и
простейшими, являются флокулирующей смесью. По сравнению с
биопленкой, функционирующей в биофильтрах, активный ил аэротенков
представляет собой меньшее экологическое разнообразие видов.
Основные группы бактериальной компоненты активного ила
флокулирующие бактерии, нитчатые бактерии и бактерии-нитрификаторы.
Первая группа бактерий не только принимает участие в деградации
органических компонентов стоков, но и формирует стабильные флокулы,
быстро осаждающиеся в отстойнике с образованием плотного ила.
Нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают восстановленные
формы азота в окисленные:
Нитчатые бактерии, с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого
образуются флоккулы, с другой, – стимулируют неблагоприятные
процессы (образование пены и плохое осаждение). Простейшие
потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее значение
среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).
Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших,
обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков.
Активный ил имеет также поверхность с сильной адсорбционной
способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно
составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков,
от возраста ила и его продуктивности. Возраст ила вычисляют по
уравнению
T = MV/(my + Gсвых),
где М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м 3; V – объем аэротенка, м3;
my – количество удаляемого ила, кг/сут; G – расход воды, м3/сут; свых. –
концентрация ила в выходном стоке, кг/м 3.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Например, для достижения нитрификации с участием медленно
растущих нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а
для окисления органики возраст ила существенно ниже.
Рабочая концентрация растворенного кислорода вычисляется на основе
расчетной потребности установки. Для полной нитрификации она
составляет не менее 2 мг/л; для окисления углерода и денитрификации –
менее 1 мг/л.
На практике в зависимости от типа аэрации применяют несколько типов
режимов очистки стоков: быструю, стандартную и продленную. Быстрые
процессы применяют при частичной очистке стоков. Наиболее
распространенный тип очистки – это процесс, средний между стандартной
и быстрой аэрацией. Степень аэрации определяет допустимую нагрузку по
органическому веществу во входных стоках и качество очистки.
Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в
гомогенных проточных биореакторах служит режим перемешивания.
Известны системы полного смешения и идеального вытеснения. Первый
тип обеспечивает мгновенное разбавление входного потока в аэротенке.
Это защищает микрофлору активного ила от ингибирующего воздействия
загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет
худшую способность к оседанию в отличие от систем идеального
вытеснения. В последних активный ил поступает в первый коридор, где в
ходе аэрации восстанавливает свою окислительную способность. Сточные
воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным
илом. Концентрация загрязняющих веществ снижается постепенно, по
мере прохождения стоков по системе коридоров аэротенка. В таких
системах концентрация загрязняющих веществ во входном потоке не
должна превышать предельно допустимую для биологических
компонентов, образующих активный ил.
Опыт эксплуатации различных типов аэротенков показывает, что
содержание органических веществ в стоках, подаваемых на очистку, не
должно превышать 1000 мг/л. Оптимальная величина рН обычно лежит в
диапазоне 6.5–8.5. Количество биогенных элементов в очищаемых стоках
корректируется добавками необходимых солей. Так, при БПК около 0.5 кг
О2/м3 содержание усвояемого азота в стоках должно быть не ниже 10,
фосфатов – 3 мг/л. Лучшие результаты очистки вод в аэротенках получают
при величине входного БПК до 0.2 кг О 2/м3. Если уровень аэрации при
таком БПК составляет до 5 м3/м2×ч, БПК очищенной воды может упасть до
0.015 кг О2/м3. Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит
к его «старению» и снижению биокаталитической активности. Поэтому
большая часть активного ила после вторичного отстойника выводится из
системы, и только часть ила возвращается в реактор. Аэротенки
технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых
происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила.
Отстойники выполняют также функцию контактных резервуаров. В них
сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора после
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–
15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30
минут.
Биологические (очистные) пруды используются в качестве
самостоятельного очистного сооружения или конечного пункта очистки
стоков, прошедших стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке. Если
очистные пруды функционируют как самостоятельные системы
водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-,
пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды.
Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного
месяца.
Прогрессивные технологии биоочистки
Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно
совершенствуются. В последние годы стали внедряться более
эффективные системы биоочистки. Это процессы в шахтных реакторах,
процессы с использованием для аэрирования кислорода. Такие
биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного
кислорода в окситенках достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз
превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной
аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л и их
окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки.
Шахтные биореакторы позволяют реализовать процесс очистки стоков
аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном
вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и большей
частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150м
при диаметре 0.5–10.0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень
или специальное устройство, обеспечивающее образование зон
восходящего и нисходящего потоков для циркуляции потоков очищаемой
воды. Направление циркуляции задается вдуванием воздуха в секцию с
восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты
компактны, обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4.5 кг/м3
ч). При этом уровень нагрузки на ил может достигать 0.9 кг БПК/кг×сут.
Основной проблемой, возникающей при эксплуатации окситенков,
является проблема отделения твердых частиц от иловой смеси.
Микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают
осаждение. Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию,
флотацию, отдувку воздуха. После стадии дегазации иловая смесь
направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит
доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной
схеме в отстойник.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 38. Технологическая схема шахтного биореактора
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИОРЕМЕДИАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ
Понятие биоремедиации, ее принципы
Биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и
атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических
объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Первые простейшие методы очистки сточных вод — поля орошения и поля
фильтрации — были основаны на использовании растений.
Принципы биоремедиации
Использование растений
Растение воздействует на окружающую среду разными способами.
Основные из них:
 ризофильтрация — корни всасывают воду и химические элементы
необходимые для жизнедеятельности растений;
 фитоэкстракция — накопление в организме растения опасных
загрязнений (например, тяжёлых металлов);
 фитоволатилизация — испарение воды и летучих химических
элементов (As, Se) листьями растений;
 фитотрансформация:
 фитостабилизация — перевод химических соединений в менее
подвижную и активную форму (снижает риск распространения
загрязнений)
 фитодеградация — деградация растениями и симбиотическими
микроорганизмами органической части загрязнений
 фитостимуляция
— стимуляция развития симбиотических
микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки
Использование микроорганизмов и грибов
Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы.
Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду
обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта). В связи с
этим, процесс очистки происходит также вне периода вегетации с
несколько сниженной активностью.
Биоремедиация атмосферы
Биоремедиация атмосферы – комплекс методов очистки атмосферы с
помощью микроорганизмов. Все методы очистки делятся на
регенеративные и деструктивные. Первые позволяют возвращать в
производство компоненты выбросов, вторые трансформируют эти
компоненты в менее вредные.
Электрические методы. При этом способе газовый поток направляется
в электрофильтр, где проходит в пространстве между двумя электродами –
коронирующим и осадительным. Частицы пыли заряжаются, движутся к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
осадительному электроду, разряжаются на нем. Таким методом можно
удалять не только пыли, но и туманы.
Адсорбция – поглощение твердым веществом газового компонента. В
качестве адсорбентов применяют активные угли различных марок,
силикагель и др. Позволяет достигать высокой степени очистки, кроме
того способ регенеративный, то есть уловленный ценный компонент
можно вернуть обратно в производство.
Абсорбция – поглощение газов жидкостью. Метод основан либо на
процессе растворения газовых компонентов в жидкости, либо на
растворении вместе с химической реакцией. Является регенеративным.
Термические методы. Являются деструктивными. При достаточной
теплотворной способности выбросного газа его можно сжечь напрямую.
Получающиеся в результате термического разложения компоненты
должны быть менее опасными для окружающей среды, чем исходный
компонент.
Химические методы. Как правило, с использованием катализаторов.
Например, каталитическое восстановление оксидов азота из выхлопных
газов автотранспорта:
Kt
CnHm + NOx + CO → CO 2 + H2O + N2
Биологическая очистка. Для разложения загрязняющих веществ
используются специально подобранные культуры микроорганизмов.
Микроорганизмы размножаются сами, используя загрязнения в качестве
субстрата. Биофильтрация является наиболее выгодной с экономической
точки зрения и наиболее отработанной технологией очистки отходящих
газов. Может быть успешно использована для защиты атмосферы на
предприятиях
пищевой,
табачной,
нефтеперерабатывающей
промышленности.
Аэроионы - мельчайшие жидкие или твердые частицы, заряженные
положительно или отрицательно. Особенно благоприятно действие
отрицательных (легких аэроионов). Их справедливо называют витаминами
воздуха. Механизм действия отрицательных аэроионов на взвешенные в
воздухе частицы состоит в следующем. Отрицательные аэроионы воздуха
заряжают (или перезаряжают) пыль и микрофлору, находящиеся в воздухе,
до определенного потенциала, пропорционально их радиусу. Заряженные
пылевые частицы или микроорганизмы начинают двигаться вдоль силовых
линий электрического поля по направлению к противоположно
(положительно) заряженному полюсу, т.е. к земле, к стенам и потолку.
Если выразить в длинах силы гравитации и силы электрические,
действующие на тонкодисперсную пыль, то легко можно увидеть, что
электрические силы превосходят силы гравитации в тысячи раз. Это дает
возможность по желанию строго направлять движение облака
тонкодисперсной пыли и очищать, таким образом воздух в данном месте.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При отсутствии электрического поля и диффузном движении
отрицательных аэроионов между каждым движущимся аэроионом и
положительно заряженной землей (полом) возникают силовые линии,
вдоль которых движется данный аэроион вместе с частичкой пыли или
бактерией. Осевшие на поверхности пола, потолка и стен микроорганизмы
могут периодически удаляться.
Биоремедиация почвы
Биоремедиация загрязнённых почв и грунтов представляет собой набор
техник, основанных на применении биологических агентов для очистки
почв и грунтов от поллютантов. Чаще всего для биоремедиации почв
используются микроорганизмы, обычно бактерии и грибы; реже –
растения.
Выбор определенной технологии биоремедиации основывается на
основе таких критериев как природные условия места очистки, свойства
почвы, концентрация и уровень токсичности поллютанта и т.д.
Применяемые в биоремедиации почв технологии можно объединить в две
группы: методы in situ и методы ex situ.
Биоремедиация in situ. Основана на очистке среды от поллютанта без
удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку
технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они
являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и
высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ.
Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в
загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, с
тем, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную
биодеградацию поллютантов. Данная техника чаще всего применяется для
очистки от различных нефтепродуктов.
Помимо кислорода стимуляция биодеградации может осуществляться
путём введение в почву питательных веществ для стимуляции роста и
метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию поллютанта.
Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие
удобрения.
Другим распространённым подходом является введение в почву
микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или
ферментов для ускорения деградации органических поллютантов,
присутствующих в почве.
Биоремедиация ex situ. Основана на снятие слоя загрязнённой почвы и
очистке её от поллютантов за пределами места загрязнения, что делает
этот подход более дорогостоящим, чем биоремедиация in situ. Тем не
менее, у технологий данного типа есть ряд преимуществ: они требуют
меньше времени и обеспечивают полный контроль процесса очистки.
Одним из типов применяемых при биоремедиация in situ технологий
является использование биореакторов. Перед помещением в биореактор из
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что
делает его более однородным; после добавления воды образуется
глинистая суспензия. В данную суспензию вносятся проводящие очистку
от поллютанта почвы микроорганизмы, для которых в реакторе создаются
оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва
высушивается и возвращается в окружающую среду.
Другой подход биоремедиации in situ заключается в том, что удалённая
с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её
обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для
стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих
биоремедиацию. По сравнению с очисткой с помощью биореакторов,
данная технология требует много места и занимает дольше времени.
Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода.
В одном из вариантов загрязнённую почву удаляют с места загрязнения
и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по
периметру для предотвращения распространения загрязнения за её
пределы. Почву вспахивают для обеспечения доступа кислорода
почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост
вещества. Также над почвой разбрызгивают воду, что позволяет
поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха.
Загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой
1-3 метра. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с
помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции
биодеградации. В данном случае почву обычно смешивают с каким-нибудь
рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию. В
процессе ремедиации из-за продувки воздуха происходит испарение из
грунта различных веществ, в том числе самого поллютанта, поэтому
система обязательно снабжается датчиком состава почвенных испарений.
Также в грунт добавляют удобрения и поддерживают на определённом
уровне влажность.
При смешивании грунта с большим количеством разрыхлителей (сена,
кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью
вакуумных насосов или вентиляторов. Такую смесь также можно
аэрировать путём перемешивания в специальных резервуарах. Ещё один
вариант – размещение загрязнённой почвы с разрыхлителем в длинные
кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. Во всех этих трёх случаях
соотношение разрыхлитель/почва составляет примерно 1/3. После каждого
перемешивания почва укрывается, что позволяет поддерживать нужную
температуру и влажность. Очистка таким способом занимает недели
вместо обычных для биоремедиации почв месяцев.
Биоремедиация нефтяных загрязнений
Самым распространенным в водной среде является загрязнение нефтью
и различными нефтехимическими продуктами. Существует ряд технологий
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обработки загрязненных грунтов. Наиболее распространены сжигание,
захоронение и биоокисление. По имеющимся сравнительным оценкам,
биоокисление является наиболее дешевым, экологически безопасным и
перспективным методом. В литературе для обозначения этого процесса
используются
термины
«биодеградация»,
«биовосстановление»,
«биорекультивация» и «биоремедиация». В основу очистки нефтяных
загрязнений методами биоокисления положена биохимическая
деятельность нефтеокисляющих микроорганизмов, которые довольно
широко распространены в природе. При этом очевидно, что для
эффективной очистки нефтяных загрязнений необходимо использовать
быстрорастущие штаммы микроорганизмов, интенсивно потребляющих
углеводородные субстраты.
Технология проведения работ по очистке различных объектов от
нефтяных загрязнений может быть различной в зависимости от
конкретных условий. В случае аварийных разливов нефти на почву при
благоприятной гидрогеологической обстановке её очистка производится на
месте загрязнения. Производится обваловка участка, перемешивание и
структурирование грунта, обработка биопрепаратом. При внесении
биогенных компонентов создаются благоприятные условия для развития
микрофлоры – как естественной, так и внесенной с биопрепаратом. Для
этого почва рыхлится, увлажняется, поддерживается необходимый уровень
содержания в почве компонентов питания микроорганизмов.
При неблагоприятной гидрогеологической обстановке (если существует
опасность просачивания загрязнений в водоносные горизонты) грунт для
биовосстановления
вывозится
на
специально
подготовленные
гидроизолированные площадки. Наиболее удобным методом очистки
загрязненных грунтов, в особенности имеющих организационный характер
(например, осадки ливневой канализации, загрязнения автозаправочных
станций и др.), является создание специальных установок
биокомпостирования. Эти установки представляют собой площадки,
оборудованные устройствами для распределения осадка на площади
карты, рыхления, орошения и дренажа, а также системой внесения
биогенных элементов. Желательно также обеспечить условия для
поддержания плюсовых температур в холодное время года. На этих
площадках в загрязненный грунт вносятся биогенные элементы и
биопрепарат, производится мониторинг нефтяных загрязнений,
периодическое рыхление, увлажнение и подкормки. Это позволяет в
течение теплого времени года довести содержание углеводородов в грунте
до уровня ниже 1000 мг/кг.
Сказанное выше касается в основном нерастворимых в воде
нефтепродуктов, для которых характерным является поверхностное
загрязнение грунта, если только оно не является результатом многолетнего
складирования и захоронения нефтезагрязненных почв и осадков.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля
1. Биотехнология. Основные понятия.
2. Современные разработки экологической биотехнологии
3. Синтез биологически активных веществ
4. Биодеградация токсичных веществ
5. Биодеградация компоста
6. Биоочистка и детоксикация отходов
7. Биовыщелачивание
8. Биологические объекты и продукты биотехнологических процессов
9. Основные критерии оценки биотехнологических процессов
10. Типы биотехнологических процессов (анаэробные, твердофазные,
поверхностные и др.)
11. Окислительно-восстановительные процессы водоемах и почве
12. Кинетика микробиологических процессов
13. Моделирование роста микроорганизмов
14. Деструкция вещества
15. Виды иммобилизации
16. Носители для иммобилизации микроорганизмов и ферментов
17. Виды культивирования микроорганизмов
18. Стехиометрия роста микроорганизмов
19. Материально-энергетический баланс клеточного метаболизма
20. Глобальные экологические проблемы
21. Принцип отбора биообъектов для производства
22. Источники ферментов
23. Современные методы разделения веществ
24. Биотехнологии, основанные на использовании иммобилизованных
ферментов
25. Понятие о генетической инженерии
26. Векторы, используемые в генетической инженерии
27. Использование генной инженерии для получения новых веществ
28. Создание методами генной инженерии гербицидоустойчивых
растений
29. Конструирование микробиологических пестицидов и растений,
устойчивых к насекомым
30. Повышение эффективности биологической фиксации азота
31. Возможные экологические последствия создания трансгенных
организмов
32. Методы слияния, культивирования протопластов
33. Применение клеточных культур растений
34. Культуры тканей в трансплантологии
35. Механизмы микробной деградации растительных субстратов
36. Биотрансформация растительных субстратов с целью получения
этанола
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37. Биотрансформация растительных субстратов с целью получения
органических кислот
38. Получение органических удобрений
39. Комплексная переработка растительного сырья
40. Получение продуктов питания на основе растительного сырья
41. Безотходные пищевые производства
42. Производство макромицетов
43. Основные этапы метаногенеза
44. Бактерии процесса метаногенеза
45. Использование метаболитов метаногенеза
46. Типы реакторов для метаногенеза
47. Клеточные технологии в создании генетического разнообразия
48. Клональное микроразмножение и оздоровление растений
49. Технология трансплантации эмбрионов
50. Культивирование in vitro эмбрионов животных
51. Биофотолиз воды. Преобразование энергии
52. Биоэлектрокатализ
53. Пищевые волокна. Лечебный лигнин
54. Использование метаногенеза в мировом пространстве
55. Биотехнологическая модификация кормов
56. Бактериальные удобрения
57. Стимуляторы роста растений
58. Способы очистки сточных вод
59. Биологическая очистка сточных вод
60. Прогрессивные технологии для очистки сточных вод
61. Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде
62. Биоремедиация атмосферы
63. Биоремедиация почвы
64. Биоремедиация водной среды
65. Объекты биотестирования
66. Биотестирование с помощью высших растений
67. Биотестирование с использованием простейших
68. Прикладная биотехнология в растениеводстве
69. Прогрессивные технологии в производстве кормов
70. Биоремедиация на промышленных предприятиях
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баадер, В. Биогаз – теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М.
Брендерфельд. – М.: 1982.
2. Биотехнология: Теория и практика / Н.В. Загоскина, [и др.]. – М.:
Изд-во: Оникс. - 2009. – 496 с.
3. Биотехнология / Под ред. Баева А.А. – М.: Наука, 1988 г. – 309с.
4. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В.
Бирюков. – М.: КолосС, 2004. – 296 с.
5. Волова, Т.Г. Экологическая биотехнология: уч. пособие для
университетов / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Хронограф, 2007. – 141с.
6. Гальченко, В.Ф. Метанотрофные бактерии / В.Ф. Гальченко. – М.:
ГЕОС, 2001. – 500с.
7. Иммобилизованные ферменты / Под ред. М.В. Березина, В.К.
Антонова, К. Мартинека. М.: МГУ, 1976.
8. Колесников, С.И. Экологические основы природопользования / С.И.
Колесников. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2010. –
156с.
9. Корте, Ф. Экологическая химия / Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн и
др. М.: Мир, 1996. – 396с.
10. Кретович, В.Л. Биохимия азота воздуха растениями / В.Л. Кретович.
– М.: Наука, 1994.
11. Минеев, В.М. Химизация земледелия и природная среда, М.:
Агропромиздат, 1990. - С.5.
12. Минкевич И.Г. Материально-энергетический баланс и кинетика
роста микроорганизмов. – М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая
динамика»; Институт компьютерных исследований, 2005. - 352 с.
13. Мягков, М.И. Твердые бытовые отходы города / М.И. Мягков, Г.М.
Алексеев, В.А. Ольшанецкий. - Л.: Стройиздат, 1978. - С.51-69.
14. Нетрусов, А.И. Микробиология: учебник для студ. высш. учеб.
заведений / А.И. Нетрусов, И.Б.Котова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский
центр «Академия», 2007. – 352 с.
15. Никольский, К.С. Биомасса из отходов производства / К.С.
Никольский, В.В. Соколов //Химия в сельском хозяйстве. - № 3-4. – 1993. С.20-21.
16. Рыбчин, В.Н. Основы генетической инженерии / В.Н. Рыбчин. –
СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999.
17. Сельскохозяйственная биотехнология / Под. ред. В.С. Шевелухи. –
М.: Высшая школа, 2003. – 469 с.
18. Тихонович, И.А. Генетика симбиотической азотфиксации с основами
селекции/ И.А. Тихонович, Н.А. Проворов. – СПб.: Наука, 1998.
19. Денце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных
вод: Пер. с англ. М.: Мир, 2004.
20. Черных, Н.А. Негативное воздействие тяжелых металлов на почвы //
Химизация сельского хозяйства. - №1. – 1991. - С.40-42.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21. Экологическая биотехнология / Под редакцией К.Ф. Форстера и Дж.
Вейза Л.: Химия, 1990. – 384с.
22. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов,
Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др. / Под ред. А.И. Нетрусова. –
М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 272 с.
23. Экология; охрана природы и экологическая безопасность: Учеб.
пособие / Под ред В.И. Данилова-Данильяна, М.: МНЭПУ, 1997.
24. Эмануль, Н.М. Курс химической кинетики \ Н.М. Эмануэль, Д.Г.
Кнорре. - Изд. 4-е, М.: Высшая школа, 1984. – 234с.
25. Эрнст, Л.К. Биотехнология сельскохозяйственных животных / Л.К.
Эрнст, М.И. Прокофьев. – М.: Колос, 1995.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………………………3
Экологические аспекты современной биотехнологии ………………...........................4
Развитие биотехнологии и ее место в современной науке………………………………..4
Мировая экологическая ситуация…………………………………………………………...6
Роль биотехнологии для сельского хозяйства………………………………………………8
Типовые процессы экологической биотехнологии……………………………………12
Биодеградация токсичных веществ, компостирование…………………………………..12
Биоочистка и детоксикация отходов……………………………………………………… 15
Биоремедиация. Биовыщелачивание……………………………………………………….15
Микробиологические процессы в задачах экологической
биотехнологии …………………………………………………………………………….. 20
Принцип минимума………………………………………………………………................20
Формирование экологических ниш для окислительных и восстановительных
процессов……………………………………………………………………………….........21
Кинетика микробиологических процессов………………………………………………. 23
Моделирование роста микроорганизмов…………………………………………………..26
Иммобилизация…………………………………………………………………………….. 27
Материальный и энергетический баланс микробиологического
процесса ……………………………………………………………………………………..31
Стехиометрия роста микроорганизмов и математическое моделирование……………..31
Теория экономического коэффициента ………………………………………...................32
Материально-энергетический баланс клеточного метаболизма .………………………35
Генетическая инженерия. Экологические последствия………………………………36
Понятие генетической инженерии, векторы……………………………………...............36
Генетическая инженерия растений………………………………………………………...40
Трансгенные организмы. Экологические проблемы……………………………………..45
Биологическая фиксация азота……………………………………………………………..47
Биоконверсия растительных материалов и отходов………………….........................51
Переработка растительных и пищевых отходов…………………………………………..51
Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов……………………………………................52
Компосты из органических отходов……………………………………………………….57
Пищевая биотехнология…………………………………………………..........................60
Безотходные производства………………………………………………………………….60
Производство макромицетов…………………………………………………….................63
Метаногенез…………………………………………………………………………………71
Метаногенные бактерии, характеристика, особенности…………………….……………71
Технологическая схема метаногенеза. Механизм метаногенеза…………………………72
Биогазовые установки и использование их в мире……………………………………….75
Использование биотехнологии в сельском хозяйстве для решения экологических
проблем……………………………………………………………………………………...77
Биотехнологические методы в растениеводстве………………………………………….77
Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями
сельскохозяйственных растений и животных…………………………………………….79
Биологическая очистка сточных вод…………………………………………………....85
Технологическая схема очистки промышленных сточных вод………………………….85
Принцип действия аэробных систем биоочистки. Микроорганизмы…………………..87
Виды биореакторов и их применение……………………………………………………..90
Процессы биоочистки в аэротенке ………………………………………………………..91
Прогрессивные технологии биоочистки…………………………………………………..94
Биоремедиация и биотестирование……………………………………………………...96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Понятие биоремедиации, ее принципы…………………………………………………...96
Биоремедиация атмосферы…………………………………………………………………96
Биоремедиация почвы………………………………………………………………………98
Биоремедиация нефтяных загрязнений……………………………………………………99
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………… 101
Библиографический список……………………………………………………………..103
Содержание………………………………………………………………………………..105
Документ
Категория
Биологические науки
Просмотров
1 740
Размер файла
2 689 Кб
Теги
2550, биотехнология, экологической
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа