Экологические аспекты современной биотехнологии

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 %, рН 4,8—6,8, ХПК 1240—7800 мг/л. При дальнейшей переработке молока из 1 кг молока образуется от 0,1 до 6 кг сточных вод в зависимости от вида получаемого продукта. Как видно из табл. 2, степень загрязнения стоков при производстве одного и того же продукта сильно варьирует, что свидетельствует о нестандартности технологического про­цесса.

На мясокомбинатах образуются стоки, сильно загрязненные кровью, жиром, экскрементами, частицами мяса, шерстью, различными солями. При получении 1 т мяса образуется около 30 кг крови, которую необходимо максимально использовать, так как кровь имеет ХПК свыше 200000 мг/л. При влажной горячей обработке мяса образуется сточная жидкость с ВПК около 30 000 мг/л.

Таблица .2. Сточные воды, образуемые при производстве молочной продукции

Таблица 3. Характеристика стоков мясокомбинатов

Таблица 4. Характеристика стоков рыбных заводов   (Loehr,   1984)

Обработка рыбы

влажная

сухая

Приготовление лососины Обработка крабов Приготовление селедки Приготовление  рыбных  ма­ринадов Производство рыбной муки

600—1200

100—1100

173—3900

320—1000

3200—5800

6900—14000

46 000—490 000

150—960

30—230

88—7400

135—660

1150—5300

1500—4600

7600—21 500

1

19

21 85

Из табл. 3 видно, что 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. В среднем при переработке 1 т рыбы расходуется около 5 т воды, а ВПК стоков составляет обычно от 103 до 104 мг/л. Однако при производстве рыбной муки ВПК стоков достигает 300000 мг/л.

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 в защите и оздоровлении

биосферы

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 (Мунск, 1995). Этот ячмень содержит 6 г/кг лизина (против 3,8 г/кг в обычном ячмене).

Следует расширить производство бактериальных удобрений (особенно нитрагина), 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.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.

Достижения современной биологии дают новые эффективные средства индикации биологического загрязнения окружающей среды. Необходимо отметить методы, основанные на использова­нии моноклинальных 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 следующим требованиям.

Содержание, мг/л взвешенных частиц азота хлоридов, мг/л

До 0,25    2,0

300,0

6

Назовем 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 (табл. 5).

Таблица 5. Биотехнологические методы зашиты окружающей среды

Создание безотходных технологических процес­сов

Создание препаратов для борьбы с возбудителями болезней человека и жи­вотных

Создание растений, ус­тойчивых к болезням и вредителям

Биологические       методы    Сельское   и   лесное   хо-борьбы   с   болезнями   и    зяйство вредителями растений

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 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

В аэротенках спонтанная микрофлора в присутствии кислорода утилизирует орга­нические вещества стоков и накапливается биомасса — активный ил. Содержание СВ снижается на 50 % В метантенках анаэробная микрофлора утилизирует ор­ганические вещества, в том числе активного ила, полу­ченного после аэробной об­работки с образованием био­газа (95% от переработан­ного органического вещест­ва)

Специально адаптированные культуры микроорганизмов обычно в иммобилизованном виде утилизируют опреде­ленные вредные вещества (фенол, кислоты и др.) При аэрации твердых отхо­дов ускоренно происходит микробная деструкция части компонентов субстрата с об­разованием компоста Промыванием почвы и мик­робиологической обработкой промывных вод достигается утилизация вредных соеди­нений, накапливающихся в почве при химизации сель­скохозяйственного производ­ства

В специальных биофильтрах микроорганизмы селективно сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том числе радиоактивные При помощи моноклональ-ных антител или иммунофер-ментного анализа опреде­ляют присутствие вирусов и бактерий. При помощи фер­ментов контролируют при­сутствие в среде определен­ных веществ

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 СаСОэ 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 (К. L. Sublette, 1988).

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. (Е. A. Griffin et. al., 1989). Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводо­родов нефти.

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:

1)         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;

2)    кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ­ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых
системах;

3)    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;

4)   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.;

5)   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;

6)  радиоактивные и другие вредные загрязнители.

Водоемы и почва представляют собой биологические системы,

способные утилизировать отходы. В почву помимо отходов сельского хозяйства (навоз, солома и др.) попадают коммунальные и промышленные отходы. Как известно, навоз, компосты и солома являются удобрениями для полей. Однако необходимо знать предельные количества внесения удобрений. Вокруг крупных жи­вотноводческих комплексов требуются большие земельные пло­щади, чтобы без ущерба для почвы утилизировать образующийся навоз. Жидкий свиной навоз перед вывозом на поле необходимо выдержать 6—8 мес., чтобы инактивировать патогенную микрофлору. При использовании отходов животноводческих ферм для удобрения полей, один из критериев — содержание азота, максимально допустимая доза которого составляет 300 кг/га. Практика показывает, что количество жидких отходов свиноферм, вносимых методом орошения за 1 год на площадь 1 га, не дол­жен превышать 250 м3. Но на больших животноводческих ком­плексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, сле­довательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зави­сит от свойств почвы, химического и биологического состава от­ходов.

В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной фермен­тации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа ути­лизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, жи­вотных и человека вредными химическими веществами или болез­нетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые ком­поненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно от­метить, что почва хорошо задерживает фосфорные соединения, которые могут использовать растения. В среднем на 1 га земли за год можно вернуть в виде растительной массы 20—60 кг фос­фора. Способность сорбировать фосфор зависит от содержания в почве гумуса, алюминия, железа, кальция и от рН. Утилизация азота зависит от потребления его растениями, интенсивности денитрификации и степени перехода азота в аммиак, а также от количества отходов на единицу площади земли.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5