Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
анаэробной переработке. При переработке органических отходов в анаэробных условиях образуется горючий газ и твердый остаток, содержащий азот и другие питательные вещества, содержащиеся в исходном растительном материале. В природе такой процесс развивается при недостатке кислорода в местах скопления веществ растительного или животного происхождения. Он может протекать и в закрытой емкости, наполненной подходящим органическим веществом, куда не поступает воздух. Метанообразующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы, продуцирующие нужные этим бактериям субстраты, формируют в таких условиях систему прочных симбиотических отношений, которая может функционировать неопределенно долгое время, если в нее в подходящем количестве поступают все новые порции отходов. Самая распространенная технология анаэробной переработки – разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанообразующих бактерий, которые используются в данной системе, чувствительностью к различным воздействиям и неприспособленностью к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно и поэтому обходится дорого. Тем не менее, анаэробная ферментация отходов очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35 0 С). Для получения энергии и полезных побочных продуктов можно использовать самые разнообразные отходы и сырье. Некоторые 240 страны, например Бразилия, Австралия и Новая Зеландия используют специально выращиваемые культуры в качестве источника топлива. Сходные проекты обсуждаются и в некоторых европейских странах, например в Финляндии, Швеции и Ирландии. В Англии работа по биоконверсии энергии проводится в рамках Программы по использованию солнечной энергии; за счет этой программы финансируются и проекты ЕЭС по получению энергии биологическими способами. Множество подходов используется в США; например, одно очистное сооружение за счет биологической конверсии бытового мусора позволяет получать газ в количестве, достаточном для обеспечения им 12 тыс. домов. Анаэробные ферментеры могут применяться также в целях получения промежуточных продуктов для химической промышленности (например, уксусной, молочной и акриловой кислот в качестве химического сырья, идущего на переработку). Извлечение полезных веществ из отходов Одна из главных задач технологии, связанной с окружающей средой, - это сохранение природных ресурсов путем повторного использования полезных веществ, содержащихся в отходах. Некоторые разработки в этой сфере получили финансовую поддержку со стороны правительств и это принесло свои плоды, но все же пока выход конечных продуктов и стоимость повторного использования биомассы в широких масштабах таковы, что эта технология оказывается экономически невыгодной. Тем не менее, она находит применение при получении таких ценных продуктов, как масла, металлы, витамины и пептиды. Получение полезных материалов из отходов имеет два аспекта: извлечение или концентрирование полезных веществ из отходов; превращение отходов в полезные материалы. Вода. Воду можно рассматривать как возобновляемый ресурс. Однако, сравнивая стоимость необходимого для очистки оборудования со стоимостью водопроводной воды, очистку загрязненной органическими веществами воды обычно считают неэкономичной. Повторное использование промышленных сточных вод экономично только в тяжелей промышленности: энергетика, сталелитейное производство, угледобывающая промышленность. Здесь можно применять не такую чистую воду, как питьевая, и поэтому свести к минимуму обработку сточных вод. Основные трудности связаны с наличием соединений, не поддающихся переработке. Возможно, эту проблему удастся решить, используя микроорганизмы, которые приобрели способность 241 разрушать такие соединения. Удобрения. Потребность в более дешевых высококачественных белках животного происхождения непрерывно возрастает, а число работников сельского хозяйства все время уменьшается. Для разрешения этого противоречия нужно применять более интенсивные методы землепользования, и тогда можно получить все больше концентрированных отходов, которые применяются как удобрения. Однако за последние 100 лет масштабы использования отходов животноводства в качестве удобрений уменьшились; на смену им пришли фосфорные и азотные удобрения, при получении которых используется ископаемое топливо. В странах Западной Европы значительную часть сельскохозяйственной продукции (до 40% от общей стоимости) получают именно за счет применения химических удобрений. Однако цены на такие удобрения все время растут, и становится экономически выгодным использование отходов животноводства в качестве органических удобрений. Корма для животных. В результате деятельности человека образуется огромное количество отходов. В процессе переработки отходов при участии микроорганизмов образуется много микробного белка, который можно повторно использовать как корм для скота, поскольку 30-40% сухой массы выросших клеток – это неочищенный белок. Однако бытовые и сельскохозяйственные отходы, по- видимому, непригодны для промышленного получения белка. Это связано с их низкой пищевой ценностью и с необходимостью получения продукта, свободного от токсичных веществ и патогенных микроорганизмов. Идеальным результатом повышения качества ила сточных вод путем экстракции белка должен быть безвредный, чистый, экономичный корм для животных. Кроме того, в иле образуются и другие ценные биологические соединения, например аминокислоты и витамины. Проблемы переработки промышленных отходов Промышленные отходы условно можно разделить на две категории: 1. Отходы производств, основанных на использовании биологических процессов (производство пищевых продуктов, ферментация). 2. Отходы химической промышленности. В первом случае отходы имеют различный состав и обычно перерабатываются путем биологического окисления, как это делалось традиционно в случае бытового мусора. Однако такой способ 242 экономически невыгоден, и в настоящее время широко обсуждается вопрос о возможности уменьшения объема разбавленных сточных вод либо их непосредственного использования – трансформации (для получения биомассы или других ценных продуктов). В многочисленных и разнообразных отраслях химической промышленности образуется большое количество отходов, причем многие из них с трудом поддаются разрушению и длительное время присутствуют в среде. Поэтому часто перед обычной биологической переработкой отходов бывает необходимо провести их предварительную химическую или физическую обработку. Использование специфических микроорганизмов для расщепления ксенобиотиков при переработке отходов еще не нашло широкого применения в промышленности, однако такой подход представляется эффективным. Рассмотрим методы биологической переработки промышленных отходов на примерах молочной, бумажной промышленности и производства красителей. 3 Отходы молочной промышленности, производства красителей и целлюлозно-бумажной промышленности. Сыворотка – является побочным продуктом сыроварения. Ее состав зависит от типа используемого молока и вырабатываемого сыра. В высушенном или концентрированном виде сыворотка применяется в качестве корма для животных; однако ее недостатком является то, что она не сбалансирована с точки зрения содержания питательных веществ: в сыворотке слишком велика концентрация минеральных веществ и лактозы. Разработаны способы извлечения из сыворотки белков путем ультрафильтрации, осаждения или выделения с помощью ионного обмена. Из таких белков можно получать белковые гидролизаты, используя для этого ферментеры. После извлечения белков получают большие объемы фильтратов с высокими концентрациями лактозы (35-50 г/л), минеральных веществ, витаминов и молочной кислоты, и встает проблема дальнейшего их использования. Если превратить лактозу в молочную кислоту при участии молочнокислых бактерий, то получится источник углерода, который может сбраживаться дрожжами. После сбраживания не обязательно отделять микроорганизмы от среды, объем которой можно уменьшить и получить обогащенную белком сыворотку. Из сыворотки получают не только белковые продукты, но и сырье для химической промышленности (например, этанол). Путем химического гидролиза лактозы с последующим удалением глюкозы 243 из раствора с помощью ферментации можно получить галактозу. В результате гидролиза лактозы фильтрат становится более сладким; на опытных установках такой гидролиз осуществляется с помощью β- галактозидазы. Гидролизованный фильтрат не только находит применение в пищевой промышленности, но и может оказаться полезным при решении проблем, связанных с недостатком ферментов у некоторых животных и при непереносимости лактозы у человека. Из сыворотки получают и другие химические соединения: лактозу, лактулозу и лактобионовую кислоту. Волокнистый материал, применяющийся при производстве бумаги и других продуктов, получают как из древесных, так и из травянистых растений после химического расщепления лигнина. Однако этот процесс сопровождается большой потерей древесины и образованием огромного количества отходов. В настоящее время применяют два процесса получения целлюлозной массы: щелочная и сульфатная варка целлюлозы. Основной из них – щелочная варка, в результате которой образуется темная варочная жидкость. Эти отходы содержат трудно перерабатываемые ароматические продукты расщепления лигнина и низкомолекулярные органические кислоты (молочную, уксусную и муравьиную). Варочную жидкость не удается перерабатывать биологическими способами, которые могли бы применяться в промышленном масштабе; гораздо экономичнее упаривать эту жидкость и сжигать ее, получая таким образом энергию из отходов. Сульфатная варка целлюлозы применяется реже; она дает отходы следующего состава: лигносульфаты с ароматическими элементами (60%), сахара (36%), уксусная кислота и метанол. Эти жидкие отходы – хорошее сырье для ферментации благодаря высокому содержанию в них углеводов. Их ферментация в широких масштабах начата в 1909г. В настоящее время традиционным методом удаления сахаров и уксусной кислоты из таких отходов служит их ферментация при участии дрожжей. Неподдающиеся переработке соединения можно концентрировать и сжигать. Лигносульфонаты применяют в качестве связывающих веществ и вспомогательных средств при бурении; щелочным окислением при повышенном давлении их можно превращать в ванилин. Главное в переработке отходов целлюлозно-бумажной промышленности – это понижение энергозатрат, а какой химический принцип при этом используется – менее существенно. Основная 244 экологическая проблема, порождаемая целлюлозно-бумажной промышленностью – это очистка сточных вод, а также обработка конденсатов, образующихся в испарителях и реакторах. Сточные воды осветляют путем нейтрализации и отстаивания, окисления в одно- или двухстадийных установках с активным илом, в аэрируемых отстойниках путем сочетания биологических и химических способов окисления. Эти методы пригодны для эффективного удаления соединений, подверженных биодеградации, а также токсичных производных фенола, однако они оказываются дорогими и неэффективными в случае производных лигнина, с трудом поддающихся переработке. Отходы от производства красителей Текстильная промышленность и производство красителей отправляют в отходы огромное количество красителей и пигментов. Они поступают в окружающую среду со сточными водами. С количественной точки зрения эти соединения не относятся к числу основных загрязнителей воды. Кроме того, эти отходы обычно не рассматриваются как токсичные или канцерогенные для рыб или млекопитающих (за исключением бензидина и катионных красителей). Для очистки окрашенных сточных вод применяют химические методы. Удаление красителей и пигментов с помощью микробов весьма ограничено. Устранение этих продуктов из отходов с помощью активного ила заключается в основном в адсорбции, а не в деградации. Степень их разложения микроорганизмами определяется растворимостью, ионными свойствами, а также природой заместителей и их числом. Оказалось, что микроорганизмы способны разлагать красители, но только после адаптации к значительно более высоким концентрациям, чем те, которые обычно обнаруживаются в сточных водах. 4 Биодеградация нефтяных загрязнений, пестицидов и поверхностно-активных веществ. Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Источники таких загрязнений могут быть самыми разнообразными: промывка карабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов. Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти 245 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. 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 в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы и серусодержащие ароматические соединения. Кроме того, скорость роста бактерий, а следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление этих веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. 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. Биодеградация пестицидов 246 Выбросы отходов производства пестицидов сегодня строго контролируются; технология очистки сточных вод или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках или промывке и замене контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ, идущей, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться токсичность пестицида или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных пестицидов. Биодеградация поверхностно-активных веществ По чувствительности к биодеградации синтетические поверхностно-активные соединения, применяемые в быту и в промышленности как моющие средства, можно разделить на «жесткие» и «мягкие». Анионные соединения этой группы, такие как алкилбензолсульфонаты, в конце 50-х гг. привлекли к себе внимание тем, что они загрязняют окружающую среду: это проявляется в образовании пены в водоемах. Сначала в продажу поступали «жесткие» детергенты, устойчивые к разложению в окружающей среде, содержащие разветвленные алкильные боковые цепи. Чтобы предотвратить их накопление в природе, промышленность добровольно перешла к производству подверженных биодеградации, линейных неразветвленных алкилбензолсульфонатов. Разрушение этих поверхностно-активных 247 соединений начинается с окисления концевых метильных групп, после чего за счет β-окисления идет расщепление линейных боковых цепей. Данный процесс осуществляется только в аэробных условиях, поскольку для начального окислительного этапа требуется кислород. Разветвленные молекулы не всегда оказываются устойчивыми, хотя процесс их β-окисления и затруднен. Механизм разрушения разветвленной цепи до конца не установлен. Алкилсульфаты все еще используются как моющие средства на фабриках-прачечных и в косметической промышленности, основную их массу составляют первичные алкилсульфаты. Линейные сульфаты легко разрушаются, но этот процесс замедляется из-за наличия разветвленных участков. В первичной атаке этих молекул участвуют сульфатазы, образующие соответствующие спирты, которые подвергаются затем дальнейшему метаболизму. Для этого процесса кислород не нужен, и он может идти в анаэробных условиях. Некоторые детергенты применяются в быту, поскольку они облегчают смачивание и способствуют образованию эмульсий, их с успехом используют при производстве аэрозолей для сельского хозяйства и в косметической промышленности. Линейные первичные алкогольэтоксилаты минерализуются быстро и до конца, но более весокомолекулярные гомологи более устойчивы. Деградация осуществляется путем окисления концевых метильных групп и последующего β-окисления с образованием низкомолекулярных алканоатэтоксилатов, лишенных поверхностно-активных свойств. Имеющиеся в продаже детергенты редко содержат по весу более 30% поверхностно-активного соединения. К числу остальных компонентов относятся оптические отбеливатели, отбеливатели- окислите-ли, вспомогательные пенообразователи, антикоррозийные добавки и ферменты. Основную массу составляет носитель (наполнитель). Наполнители нужны для уменьшения концентрации свободного кальция и магния с целью предотвращения образования неорганических осадков; в противном случае выпадут в осадок соли щелочноземельных металлов и аниона детергента. Таким образом, биологические методы дают существенные результаты при очистке отходов предприятий неф- теперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, а также коммунально-бытовых стоков. |