Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

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 смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и далее 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.

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.

Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важное условие для эффективной работы биофильтров – тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятными моментами в эксплуатации биофильтров являются вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах как следствие избыточного образования микробной биомассы.

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 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. Средняя глубина прудов составляет от 0,5 до 1,0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.

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.

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.

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 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 [44-46].

Назовем основные биотехнологические методы, которые мог быть применены для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для обеспечения экологически чистого производства на самих биотехнологических предприятиях (табл. 18). Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми выбросами.

Таблица 18

Биотехнологические методы защиты окружающей среды [47]

Дополнительная информация

История возникновения экологических проблем и классификация загрязнителей окружающей среды

К началу третьего тысячелетия стало трудно найти человека, по крайней мере в промышленно развитых странах, который бы отвергал пагубное воздействие человечества на окружающую среду. Однако разброс мнений о степени этого воздействия очень широк, причем много в этом вопросе спекуляций и прямого обмана. Очень часто, решая свои корпоративные или личные интересы, в проблемы охраны окружающей среды напускают тумана промышленники или бесстыдно их раздувают политики. Специалист в области охраны окружающей среды не должен обращать внимание на эту возню. Экологические проблемы слишком серьезны и требуют не менее серьезного и взвешенного отношения к себе. Специалист-эколог должен решать двуединую задачу: во-первых, выяснить причины и объективно оценить степень воздействия на окружающую среду, во-вторых, предложить методы решения возникшей проблемы.

История возникновения экологических проблем. Экологические проблемы существуют только для живых организмов, и они существовали всегда, как только появилась жизнь, а человека не было в помине. Причина в том, что природная среда изменялась всегда. Эти изменения могут охватывать разные временные отрезки: сотни миллионов лет (дрейф материков и горообразование, сопровождающиеся вулканической деятельностью), десятки тысяч лет (последний ледниковый период), сотни лет (заиление мелких озер). К настоящему времени планета Земля маленько успокоилась и сравнительно редко преподносит нам глобальные катастрофы. Однако 27 августа 1883 г произошло извержение вулкана Кракатау в Индонезии. Оно уничтожило 300 деревень, погибло 36000 человек. Рев вулкана был слышен на расстоянии 4800 км. Взрывная волна семь раз облетела вокруг земного шара. От острова остался гигантский кратер диаметром 6 км, уходящий вглубь моря на 275 м. Вулканическая пыль висела в небе больше года, от чего дневные температуры упали ниже обычных. К сожалению, здесь уместно отметить, что взрыв водородной бомбы приводит к разрушениям сравнимого порядка [45].

Таким образом, существование для живых организмов никогда не было счастливым и безоблачным, экологические проблемы для них существовали всегда, причем часто приходилось бороться за свое выживание не только с неживой природой, но и с другими представителями живого мира. Например, появление более 3 млрд лет назад фотосинтезирующих организмов постепенно превратило бескислородную атмосферу Земли в кислородсодержащую, что явилось катастрофой для анаэробных форм жизни и привело к почти полной замене анаэробных организмов на аэробные. Или такая «мелочь»: превращение сухих земель в болото колонией бобров, перегородившей плотиной реку, а для кого-то это ведь стало катастрофой.

Следовательно, изучая экологические проблемы, необходимо обязательно учитывать изменения, происходящие в природе без участия человека. Некоторые природные комплексы испытали антропогенное преобразование уже в древности, когда человечество научилось пользоваться огнем. Например, земледельцы просто выжигали лес и кустарники для пахотной земли. Через несколько лет земля истощалась, участок забрасывали и выжигали новый. Одновременно с процессом одомашнивания диких животных и развитием земледелия последствия человеческой деятельности стали проявляться на обширных территориях. Например, появление Сахары и среднеазиатских пустынь в значительной степени связывают с развитием скотоводства и земледелия.

Но масштабы влияния человеческого общества на природную среду в древние времена мизерны по сравнению с современными. И это определялось не столько низким уровнем развития экономики, сколько иным отношением человека к природе. Природа наделялась человеческими качествами, она одухотворялась и обожествлялась. При таком восприятии мира человек и природа были слиты воедино и не противопоставлялись друг другу. Значительную роль в этом отношении играла религия, особенно языческая.

С развитием цивилизации из сознания человека постепенно исчезла идея единства человека с природой, ее место безраздельно заняла идея экономической целесообразности. "Не ждать милостей от природы, а брать их у нее" стало правилом, которым руководствуется общество. По мере замены мускульной силы энергией ископаемого топлива технические возможности человечества достигли такого уровня, когда слова "покорение природы" перестали быть метафорой. Дальнейшие успехи в этом направлении были достигнуты после овладения различными химическими технологиями. Они стали условием решения многих социальных проблем, но «глубоко проникнув в дела человеческие», химия затронула, а в ряде районов Земли нарушила, складывавшуюся столетиями жизнь природной среды [43,47].