Биотехнология и окружающая среда
Лекция №5
Применение биотехнологических процессов для решения проблем окружающей среды
Экологическая биoтexнология подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений микробиологии, биохимии, генетической инженерии и химической технологии.
Задачи, решаемые экологической биотехнологией:
-
химико-биологические исcлeдoвaния экосистем вблизи источников техногенных воздействий;
-
разработка технологий по:
-
а) рекультивации почв;
-
б) биологической очистке воды;
-
в) биологической очистке воздуха;
-
г) биосинтезу препаратов, компенсирующих
-
токсическое действие загрязнителей
-
д) переработке отходов жизнедеятельности человека.
Пoлyчeниe экологически чистой энepгии возможно:
-
путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов;
-
из биогаза;
-
из микробного этанола.
Нарушения во внешней среде, вызванные современные источники энергии:
-
ГЭС (гидроэлектростанции) - затопление территорий, изменение ландшафтов, гибель биоценозов.
-
ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атмосферу, вызывают отчуждение земель.
-
АЭС (атомные электростанции) создают угрозу радиационного загрязнения.
-
Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации СО2, образование смога и уменьшение ресурсов нефти и газа.
Биогаз
-
смесь из 65% метана, 30% СО2, 1% сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода, угарного газа.
-
Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти, 18,4 л дизельного топлива.
-
В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез -процесс превращения биомассы в энергию.
Биометаногенез -сложный микробиологический процесс,
в котором органическое вещество разлагается до диоксида
углерода и метана в анаэробных условиях.
Микробиологическому анаэробному разложению
поддаются практически все соединения природного
происхождения.
В анаэробном процессе биометаногенеза участвуют
свыше 190 различных микроорганизмов.
Стадии биометаногенеза
-
Первая стадия -ферментативный гидролиз сложных высокомолекулярных соединений - белков, липидов, полисахаридов. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы -бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.
На первой стадии наиболее активны бактерии из
родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus,
Butyrivibro.
Главные продукты ферментации -ацетат, пропионат,
сукцинат, Н2, СО2.
Вторая стадия (ацидогенез). В процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные.
Ацетогенные Н2-продуцирующие микроорганизмы - бактерии, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntophomonas, Desulfovibrio, ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием СО2, Н2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений.
Гомоацетатные микроорганизмы (Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii), усваивают СО2 и Н2, а также некоторые моноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-СоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат .
Третья стадия - образование метана идет под действием
метанообразующих бактерий, относящихся к родам:
Мethanotrix, Мethanosarcina, Methanococcus,
Methanogenium и Methanospirillum.
4Н2 + СО2 → СН4 + 2Н2О
3Н2+СО → CН4+H2O
4НСООН → СН4 + 3СО2+2Н2О
4СН3ОН → 3CН4 + СО2 + 2Н2О
4СН3СООН → СН4 + СО2
Метанобразующие бактерии (метаногены)
-
древнейшие представители архебактерий;
-
учaствуют в деструкции органических веществ в различных экологических нишах: в речном, болотном и озерном иле, в осадках морей и океанов, в искусственных технических сооружениях -метантенках ( анаэробных ферментерах), в рубце , жвачных животных и в пищеварительном тракте ряда других животных.
-
90%-95% используемого углерода метанобразующие бактерии превращают в метан и только 5%-10% углерода превращается в биомассу.
Метановое сбраживание
позволяет получать из местного сырья биогаз, как локальный источник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений.
Сырье для получения биогаза
-
отходы сельского хозяйства,
-
испорченные продукты,
-
стоки крахмалоперерабатывающих предприятий,
-
жидкие отходы сахарных заводов,
-
бытовые отходы,
-
сточные воды городов и спиртовых заводов.
Схема устройства реактора для обработки
cельскохозяйcтвeнных отходов
Очистка cтoчных вод
-
Ежегодный расход воды на Земле по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км3, при этом в сельском хозяйстве -70% всего водопотребления.
Загрязнение подземных и поверхностных вод можно
подразделить на:
1. механическое (большое содержание мех.примесей);
2. химическое (присутствие в воде органических и неорганических
веществ токсического и нетоксического действия);
3. биологическое (наличие в воде разнообразных патогенных
микробов, грибов и мелких водорослей);
4. радиоактивное;
5. тепловое.
Основные источники загрязнения и засорения водоемов –недостаточно очищенные сточные воды:
-
промышленных и коммунальных предприятий;
-
крупных животноводческих комплексов;
-
отходы производства при разработке рудных месторождений (воды шахт, рудников);
-
сбросы водного и железнодорожного транспорта;
-
пестициды, гербициды, инсектициды и другие токсичные вещества.
Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы,
качественно изменяют их состав.
-
Нефть и нефтепродукты -основные загрязнители внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана -вызывают разные формы загрязнения:
-
появление плавающей на воде нефтяной пленки;
-
оседание на дно водоёмов тяжёлых нефтяных фракций.
-
Вода приобретает токсические свойства и становится непригодной, представляя угрозу для всего живого
-
12 г нефти делают непригодной для употребления 1 т воды.
Методы очистки cтoчных вод
-
механические (отстаивание и фильтрация; позволяют выделять из бытовых сточных вод до 65- 75% нерастворимых примесей, а из промышленных -до 95%);
-
химические (добавка различных химических реагентов, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Уменьшают количество нерастворимых примесей до 95%, а растворимых
