экстракция и др.). Методы дорогие, энергозатратные, но высокоэффективные и быстродействующие.
Небиологические методы ремедиации считаются более надежными по сравнению с методами биоремедиации. Эффективность небиологических методов, как правило, мало зависит от характеристик загрязнений почвы и воды и практически не зависит от климатических условий места расположения загрязненного объекта. Ремедиационные работы при использовании физико-химических или химических методов могут длиться от нескольких дней до нескольких недель (в зависимости от масштаба проекта).
Специализированные биопрепараты для ликвидации аварийных загрязнений, очистки загрязненных территорий, оборудования, переработки отходов, использования в быту и других целей находят в настоящее время все более широкое применение. В ряде случаев они позволяют существенно снизить затраты, повысить скорость и эффективность биологических методов очистки загрязненных почв, стоков и водоемов, стабилизировать работу очистных сооружений, решить задачу нейтрализации вредных токсикантов, переработки нетоксичных отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности с получением кормовых продуктов и биологически активных добавок. При вкладе биопрепарата в процесс очищения до 50– 75%стоимость его может не превышать7–10%от общей стоимости работ.
В России биопрепаратами называют препараты, полученные на основе штаммов микроорганизмов, имеющих разрешения санитарноэпидемиологических служб на их производство и применение. Подавляющее большинство этих штаммов прототрофные, природного происхождения, т. е. не относятся к генетически модифицированным и не содержат мутаций, требующих дополнительных источников ростовых факторов.
Выпускаемые коммерческие биопрепараты, предназначенные для очистки природных сред, представляют в основном массу жизнеспособных клеток микроорганизмов-биодеструкторов. Они различаются используемыми для их получения штаммами, имеющими различные физиологобиохимические свойства, такие как термотолерантность, осмофильность, оптимальные для роста значения pH, способность включать в метаболические процессы разные классы загрязнений. Эти физиологобиохимические свойства штаммов-биодеструкторов определяют эффективность применения биопрепаратов в разных почвенноклиматических зонах и средах, для удаления различных по химическому составу загрязнений. Конечным продуктом биотрансформации загрязнений являются простые минеральные вещества и микробная биомасса, которая в природных условиях легко вовлекается в биогеохимические циклы превращения веществ.
Биопрепараты для очистки природных сред должны отвечать ряду требований:
- быть получены на основе непатогенных штаммов, выделенных из природных ценозов или селекционированных в лаборатории;
-не содержать патогенных инфицирующих микроорганизмов;
-микроорганизмы биопрепаратов должны иметь высокие технологические показатели: способность к росту и накоплению биомассы в промышленных ферментерах больших объемов; высокая конкурентоспособность по отношению к сопутствующей микрофлоре ферментера, позволяющая проводить процесс в не строго асептических условиях; сохранение жизнеспособности при высушивании и длительном хранении;
-быть технически простыми в использовании и экономически приемлемыми;
-обеспечивать эффективное снижение уровня загрязнения без образования опасных промежуточных и конечных продуктов трансформации
ине оказывать неблагоприятного воздействия на окружающую среду;
-дозы препаратов, интродуцированных в окружающую среду, должны активировать самоочищающую способность природных биоценозов, не разрушать их структуру и функции, не стимулировать рост патогенных микроорганизмов.
Основными преимуществами биологических методов являются протекание процесса очистки в относительно мягких условиях, не изменяющих качество окружающей среды, значительно меньшие затраты на ее осуществление, высокая эффективность очистки. Стоимость биоремедиации (в условиях США) на 10–40%ниже, чем цена аналогичного проекта, выполненного при использовании физико-химических методов.
Проблема ремедиации загрязненных земель (причем, не только городских) для России является не менее актуальной. Так, обследование интенсивности загрязнения тяжелыми металлами 31,1 млн. га сельскохозяйственных земель страны (примерно 14% от общего фонда сельскохозяйственных земель) установило, что 519 тыс. га загрязнено Pb, 184
тыс. га –Cd, 326 тыс. га –Zn, 71 тыс. га –Cr, 527 тыс. га –Ni, 1416 тыс. га –Cu,
328 тыс. га –Co. Наиболее острыми экологическими проблемами городского землепользования считаются загрязнение, захламление и нарушение земель, недостаточные объемы их рекультивации. Отмечается также постоянный рост площади земель, подверженных загрязнению выбросами промышленных предприятий.
Вопросы для самоконтроля
1.Перечислите основные ксенобиотики, загрязняющие окружающую среду 2.Каким требованиям должны отвечать биопрепараты, применяемые
для очистки природной среды?
Тема 7. Получение экологически чистой энергии. Биологическое получение водорода
Человечество потребляет для своих нужд громадное количество энергии, и потребности в ней пока увеличиваются вдвое каждые 25 лет. За девяносто лет,прошедших с начала прошлого века, энергопотребление выросло более чем в12 раз.
Современная наука пытается перевести мировую энергетику на экологически чистые источники энергии. Существуют различные способы осуществления этой идеи – в первую очередь это увеличение эффективности действующих установок, улучшение их технических и экологических характеристик. Второй путь – освоение нетрадиционных источников на основе последних физических открытий в области свойств материи. Это требует, прежде всего, разработки теорий, касающихся неисследованных, пока еще загадочных явлений. У природы есть еще не мало подобных явлений, что дает современной науке множество направлений для поиска решения энергетической проблемы. Эфиродинамика и акустический термоядерный синтез – одни из направлений в поисках экологически чистой энергии. Атмосферные вихри - смерчи и циклоны – это природные машины по переработке потенциальной энергии атмосферы в кинетическую энергию вихрей, поэтому естественно желание человека использовать эту громадную энергию для своих целей. Шаровая молния имеет множество необъяснимых свойств, если в будущем будет разгадана ее природа, это также даст возможность синтезировать энергию.
Воснове биотехнологического получения этилового спирта, кормовых
ипищевых дрожжей, пивоварения и виноделия лежит процесс брожения - один из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Однако некоторые процессы брожения реализованы на практике только сейчас. В основе брожения лежит универсальная реакция превращения источника углерода глюкозы в ключевой промежуточный продукт-пировиноградную кислоту, из которой синтезируются дальнейшие продукты, включая этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcinaventricula, Zymomonas mobilis, Z. anaerobia). По расходу сырья производство этилового спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Однако по стоимости валового продукта этанол занимает третье место среди крупнотоннажной продукции. Как известно, этанол широко используется в химической, фармакологической и пищевой промышленности. Кроме того, он может стать источником энергетических ресурсов.
Вкачестве сырья для производства этанола в различных странах используют национальные доступные растительные источники: зерновые, картофель и свекловичная масса - в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростниковую мелассу - в США; рис - в Японии и т.д.
Важным вопросом в крупнотоннажном производстве этанола, является выбор сырья. Во внимание принимают главным образом экономические аспекты - доля затрат на сырье в общей себестоимости. Существенное значение имеет количество этанола, которое получают из растительного сырья, выращенного на 1 га. В настоящее время значительный интерес для производства этанола представляют аэротолерантные бактерии Zymomonas mobilis. В отличие от дрожжей эти бактерии характеризуются отсутствием катаболитной репрессии и низкой чувствительностью к этанолу. Кроме того, удельная скорость потребления глюкозы и образования этанола у них в 2-3 раза выше (Q глюк= 3,75; Qэт. = 1,87 г/(г-ч).
Один из путей, которым может пойти в будущем энергетическая биотехнология, — развитие методов получения водорода с помощью живых организмов — бактерий и водорослей — или с помощью субклеточных частиц этих организмов. Работы в этом на правлении и у нас в стране, и за рубежом ведутся уже более полувека.
Образование водорода происходит в живых клетках в процессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органических молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.
В микроорганизмах образование водорода происходит при участии гидрогеназы. Высшие растения не имеют этого фермента в своем фотосинтетическом аппарате и не образуют водорода; однако внутриклеточный экстракт из высших растений при добавлении активного препарата гидрогеназы выделяет водород. Обычно фотолитическое образование водорода в природе не происходит, но оно может быть вызвано, например, азотным голоданием сине-зеленых водорослей и манипулированием с бесклеточными системами. По литературным источникам, получение водорода предполагает использование клеток или экстрактов высших растений, сине-зеленых водорослей, зеленых и других водорослей, а также фотосинтетических бактерий.
Даже на лабораторном уровне не удалось продемонстрировать практического метода получения чистого водорода на основе биофотолиза. Сине-зеленые водоросли выделяют смесь водорода и кислорода с эффективностью около 1 %, а внутриклеточные экстракты высших растений
— с еще более низкой эффективностью. Все системы характеризуются недостатком стабильности, так как в целых клетках необходимое условие азотного голодания ослабляет организмы и происходит потеря фотосинтетического пигмента. Период жизни внутриклеточных систем недолог вследствие воздействия ферментов на структурные липиды и белки,
а также вследствие повреждения, вызываемого действием света и свободных радикалов. Сама гидрогеназа также нестабильна.
Все целые клеточные системы характеризуются необходимостью сохранения физиологического состояния всего клеточного аппарата; это ведет к чрезмерному потреблению энергии, в результате чего наблюдается падение эффективности фотолитической реакции. Здесь необходим поиск очень тонкого и точного равновесного состояния. В настоящее время изолирование внутриклеточных систем представляется затруднительным, и в долгосрочном плане они менее стабильны, чем целые клеточные системы; современные исследования посвящены поискам методов стабилизации этих систем. Как системы целых клеток, так и однофазные внутриклеточные системы, испытанные до настоящего времени, образуют смесь водорода и кислорода. Разделение реакций выделения водорода и кислорода теоретически возможно путем использования промежуточного носителя окислительно-восстановительного потенциала, регенерирующего водород с использованием гидрогеназы, однако такой носитель до сих пор не найден.
В роли катализаторов этих реакций и переносчиков элементов выступают специфические металлоферменты, объединенные в электроннотранспортную цепь.
Для того чтобы «заставить» клетки водоросли продуцировать фотоводород, оказалось достаточным определенное время выдерживать их в анаэробных условиях. На культуре клеток было показано, что заметное выделение фотоводорода начинается через 45 мин анаэробного состояния, причем максимум производительности водорода достигается через 3—5 ч выдерживания культуры клеток без кислорода. В клетках же, обработанных ацетатом натрия, выделение водорода отмечалось уже через 10—15 мин анаэробиозиса, а максимум активности наступал через 2 ч. На производительность клеток влияли различные органические субстраты, повышающие энергообмен.
Еще один путь биотехнологии в энергетике — создание искусственных биологических систем для получения водорода и кислорода или фотосинтезирующих веществ, запасающих в той или иной форме солнечную энергию. Здесь работа также ведется по нескольким направлениям. Отметим только два из них — создание искусственных систем на основе «деталей» живых клеток и создание систем, имитирующих деятельность клеток, на основе химических веществ.
Вопросы для самоконтроля
1.Что включает понятие «Экологически чистая энергия»?
2.Назовите перспективные источники получения биотоплива.
3.В чем состоит биологическая технология получения водорода?
Тема 8. Биотехнология энтомопатогенных препаратов. Биотехнология производства бактериальных удобрений