Доклад биотехнология. Доклад БТ. Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы
 Скачать 23.32 Kb.
|
|
Доклад на тему: «Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы» Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности и транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, а также к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека. Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выбросами, водоемы – сточными водами, 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. Вторая половина двадцатого столетия характеризовалась бурным развитием техники, индустриализацией народного хозяйства, интенсификацией производства пищевых продуктов для обеспечения питанием непрерывно увеличивающегося населения планеты. В 2000 году население земного шара составляло 7 млрд против 5 млрд в 1986 г. Отмечается тенденция к росту городского населения. Такая демографическая ситуация отрицательно влияет на экологию. Рост населения Земли требует увеличения ресурсов продовольствия. В период так называемой «зеленой революции» (1956-1970 гг.) в мире было достигнуто среднегодовое увеличение продуктов питания на 2,2% в результате селекции высокоурожайных сортов сельскохозяйственных растений, широкого применения минеральных удобрений, гербицидов, пестицидов, ирригации земель, механизации. Стремление увеличить ресурсы приводит к быстрому ухудшению экологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства. Происходят истощение почвы (уменьшение гумуса), ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами, загрязнение водоемов и продуктов питания. В связи с этим, стала бурно развиваться экологическая биотехнология, появились 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 суток 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. Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводородов нефти. Биотехнология призвана также 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 птиц 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), 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. В ближайшем будущем биотехнология сыграет значительную роль в создании безотходных технологий и 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. Достижения современной биологии дают новые эффективные средства индикации биологического загрязнения окружающей среды. Необходимо отметить методы, основанные на использовании моноклональных антител, или иммуноферментные методы, 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. Основными биотехнологическими методами, которые могут быть применены для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для обеспечения экологически чистого производства на самих биотехнологических предприятиях являются: 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 уничтожающие вредных насекомых, грызунов или возбудителей болезней; Методы усиления биологической фиксации атмосферного азота, мобилизации фосфора; Методы ускорения роста органов растений и снижения их потребности в минеральных удобрениях; Перенос методами генетической инженерии в геном растений генов от микроорганизмов, определяющих фиксацию; Аэробная и анаэробная биологическая очистка коммунальных и производственных сточных вод с использование активного ила и др; В каждом очистном сооружении формируется свой, специфический биоценоз в виде активного ила или биоплёнки, видовой состав и структура которых отражают условия в используемой очистной экосистеме. Активный ил представляет собой хлопья размером от 0,1-0,5 до 2-3 мм и более, с плотностью в среднем 1,1-1,4 г/см3, состоящие из частично активных, частично отмирающих микроорганизмов (около 70%) и твёрдых частиц неорганической природы (около 30%). В состав активного ила входят полисахариды, в том числе клетчатка, полиуроновые кислоты, внеклеточные белки, образованные преимущественно бактериями. Полисахариды окружают бактериальные клетки и скрепляют частицы в хлопья, поэтому лишь небольшая часть клеток остаётся вне хлопьев. Активный ил имеет развитую поверхность (до 100 м2/г сухой массы) и, следовательно, высокую адсорбционную способность. На поверхности его концентрируются поступающие со сточной жидкостью мелкие частицы, клетки микроорганизмов и молекулы растворённых веществ. Процесс сорбции чрезвычайно интенсивен, достигает величин 35-400 мг ХПК (химическое потребление кислорода)/г абсолютно сухого вещества (далее АСВ), поэтому часто уже через несколько минут после контакта ила со сточной водой концентрация в ней органических веществ снижается на 20-30% и более. При рН от 4 до 9 частицы ила имеют отрицательный заряд. Важнейшее свойство ила – способность к хлопьеобразованию (флокуляци и флокулообразованию) и седиментации. На этом основаны удаление ила из сточной воды во вторичном отстойнике и рециркуляция его в аэротенк для повышения окислительной мощности аэротенка. В зависимости от возраста выделяют три основных типа ила: работающий на неполное окисление органических загрязнений – возраст наименьший; формирующийся в режиме полного окисления; формирующийся в режиме полного окисления с последующей нитрификацией – с наибольшим возрастом. Экологические и физиологические преимущества скоплений в виде хлопьев, образованных микробным сообществом, до сих пор не выяснены, но очевидно, что при обитании в системе аэротенк – вторичный отстойник удерживание микроорганизмов в экосистеме определяется их способностью к агломерации и осаждению. В этих условиях в активном иле преобладают бактерии, образующие слизь или слизистые капсулы, способствующие образованию хлопьев. Такие бактерии возвращаются в аэротенк с рециркулируемым илом. При устойчивых нагрузках на активный ил и отсутствии токсичных примесей в сточных водах, поступающих на очистку, формируются крупные, компактные, хорошо флокулирующиеся хлопья ила. В очистных сооружениях используется активный ил, содержащий сообщество микроорганизмов (главным образом бактерий и простейших), сформировавшееся естественным путём, включающее местную микрофлору, адаптированную к определённому спектру загрязнений сточных вод. Биоценоз ила имеет характерную биотическую и трофическую структуру с функциональной связью между микроорганизмами различных групп, уникальную для каждого конкретного очистного сооружения. В окислении загрязнений сточных вод основная роль принадлежит бактериям, число которых в расчёте на 1 г сухого вещества ила колеблется от 108 до 1014 клеток, из которых обычно 50-80% составляют гетеротрофные микроорганизмы. В биоценозе аэротенка, как правило, отсутствуют водоросли, весьма ограниченно представлены черви и членистоногие. Для образования биоценозов систем очистки используют активный ил с уже работающих очистных сооружений, состав которого сходен с составом поступающих загрязнений. При отсутствии очистных систем-аналогов активный из формируют из сточных вод, разбавленных водой местных хозяйственно-бытовых предприятий или реки, постепенно адаптируя ценоз к загрязнению стоков. Ил наращивают путём аэрации отстоенной, снабжённой биогенными солями и подогретой до 20-25⁰С сточной воды. При повлении через 36-48 часов видимых хлопьев ила добавляется исходная сточная вода, аэрация продолжается и периодически производится декантация активного ила, сброс отстоянной воды и добавка исходного стока. Через 15-16 суток по достижении концентрации ила 0,4-0,5 г/л аэротенк переводят в режим непрерывной подачи сточной воды с возвратом всего оседающего во вторичном отстойнике ила в аэротенк до тех пор, пока его концентрация не достигнет 3-5 г/л. После этого начинают выводить из системы часть избыточного ила. Иногда активный ил формируют, используя сообщества микроорганизмов, полученных в лаборатории и потребляющих один или несколько основных компонентов загрязнений. Однако в условиях очистных сооружений лабораторный ценоз неустойчив и является лишь начальным звеном для образования рабочего активного ила. Чтобы стимулировать оздоровление экологической ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода требуют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных. |