Курсовая: Биотехнология и переработка отходов производства - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Биотехнология и переработка отходов производства

Банк рефератов / Экология, охрана природы

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 50 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

1 Введение 2 Экологическая биотехнология 3 Типы бытовых отходов 4 Проблема утилизации твёрдых бытовых отходов 5 Биологическая переработка промышленных отходов 5.1 Отходы молочной промышленности; сыворотка 5.2 Отходы целлюлозно-бумажной промышленности 5.3 Переработка отходов после очистки воды 5.3.1 Переработка ила 5.3.2 Ликвидация ила 6 Биодеградация отходов 6.1 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде 6.2 Биодеградация нефтяных загрязнений 6.3 Пестициды 7 Ликвидация токсичных и опасных отходов 8 Компостирование органических отходов 9 Заключение 10 Практическая часть Список используемой литературы Введение Современная биотехнология - это направление, приз ванное изыскивать пути промышленного применения биологических агенто в и процессов. Это комплексная многопрофильная область, включающая микр обиологический синтез, генетическую, белковую и клеточную инженерию, ин женерную энзимологию. Биотехнология в основном опирается на использование микроорганизмов. Поэтому знания, накопленные микробиологией о многообразии мира, о строе нии, генетике, физиологии, изменчивости, экологии микробов создают научн ую основу для развития многих биотехнологических производств. Традици онное сырьё для различных отраслей химической и перерабатывающей пром ышленности (нефть и газ) истощается, а это приведёт к тому, что всё более ши роко будут использоваться ресурсы биомассы. Бродильное производство и технология на основе ферментов будут основн ыми источниками моторного топлива 21 века. Помимо новых способов получения химических веществ из биомассы, биотех нология даёт нам также более эффективные и производственные катализат оры для осуществления химических взаимопревращений. Многообещающей областью дальнейшего развития представляется произво дство ценных веществ из растений, например терпенов и алкалоидов, исполь зуемых при производстве лекарств; в настоящее время 25% всех лекарств прои зводится из растений. В области сельского хозяйства решаются вопросы создания полноценных к ормов для животных на основе белка одноклеточных. Для переработки отход ов сельскохозяйственного производства используются биотехнологичес кие процессы с помощью анаэробных и аэробных, термофильных бактерий. Соз даны новые бактериальные удобрения. Прежде всего, биотехнология перспе ктивна с экологической точки зрения. С момента возникновения цивилизац ии на Земле остро стоит экологическая проблема охраны окружающей среды. Благодаря антропогенной деятельности человека (промышленной, сельскох озяйственной, бытовой и т.д.) постоянно происходит изменение физических, химических и биологических свойств окружающей среды, причём многие из э тих изменений весьма неблагоприятны. Прогнозируется, что биотехнологи я будет оказывать многообразное и всё возрастающее влияние на способы к онтроля за окружающей средой и на её состояние Прекрасным примером такого влияния служит внедрение новых, более совер шенных методов биотехнологической переработки отходов, применение био технологии в борьбе против распространения ксенобиотиков и нефтяных з агрязнений. Сегодня быстро развиваются разнообразные отрасли промышленности, в ко торых процессы жизнедеятельности микроорганизмов используются для со здания замкнутых систем, для контроля за загрязнением сточных вод, биоте стирования, для использования альтернативных энергоресурсов и химичес кого сырья, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве [5]. Основные задачи, которые решает биотехнология в деле охраны окружающей среды, следующие: 1.Деградация органических и неорганических токсичных отходов. 2.Возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азо та, фосфора и серы. 3.Получение ценных видов органического топлива. Одно из наиболее важных направлений биотехнологии - обработка сточных в од, твёрдых выбросов, контроль за загрязнением окружающей среды и создан ие безотходных технологий. В последнее время резко увеличилось количество и усложнился качествен ный состав веществ, загрязняющих среду. Бурное развитие химии и её внедр ение в народное хозяйство наряду с огромным экономическим эффектом и мн огими блестящими достижениями несёт определённую опасность в смысле н арушения сложившихся в течение сотен тысяч лет биомов симбиотирующих и взаимодополняющих обитателей биосферы. Наиболее опасно загрязнение ок ружающей среды вредными для здоровья человека ядовитыми, канцерогенны ми и мутагенными веществами. Остро стоит проблема очистки сточных вод, а вместе с ней и - дефицит чистой воды. По подсчётам некоторых учёных человечество может остаться без пре сной воды в 21 веке. Особенно большие надежды в решении этих проблем учёные возлагают на развитие биотехнологии Биотехнология - это новый путь человечества к спасению природы. 2 Экологическая биотехнология Биотехнология активно применяется в целях очист ки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и др.) от загрязняющих в еществ. Кроме того, существенным является не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторично го сырья. Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых з агрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными вещест вами. В начале 20 века произошла революция в очистки сточных вод с помощью активного ила - сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется п еремешивать жидкость и непрерывно аэрировать её воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объёмы стоков с самыми разнообразным и загрязнениями - от хозяйственно-бытовых до промышленных. Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу сод ержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофи льтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроор ганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и о безвреживаются микроорганизмами. Биокомпостирование твёрдых отходов. Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твёрдых отходов. Твёрдые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и ба лластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или прос то использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в дру гих случаях. Метановое сбраживание твёрдых отходов. Ещё в 1776 году Вольта обнаружил, чт о в болотном газе содержится метан. С 1901 года успешно применяют анаэробно е сбраживание осадка избыточного активного ила, образующегося при рабо те установок биологической очистки сточных вод. Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжёлых металлов, успешн о используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по составу, и в нём п очти полностью отсутствуют болезнетворные микроорганизмы [2]. Также существуют и многие другие способы биотехнологического воздейст вия на окружающую среду: биодеградация химических пестицидов и инсекти цидов, борьба с накоплением метана в шахтах, обессеривание нефти и камен ного угля, обогащение воздуха кислородом и другие. 3Типы бытовых отходов Интенсивный рост промышленности и городов приве ли к увеличению загрязнения окружающей среды. Результатом деятельност и промышленных предприятий является образование отходов. Виды отходов самые разнообразные, и, соответственно, методы их обработки и переработк и многочисленны. Органические отходы в соответствии с источником подра зделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физичес кому состоянию - на жидкие, полужидкие текучие и твёрдые. Типы органическ их отходов и методы их биологической обработки представлены в таблице № 1.[3] Типы органических отходов и методы их биологической обработки. Таблица №1. Фи зическое состояние Типы отходов ХПК, мг/л Вид обработки Преимущество Жи дкое (сточные воды) Городские Промышлен- ные Навозные стоки при гидросмывн- ной уборке 200-500 300 - 50000 1000 - 3000 Аэробная То же Анаэробная Аэробная Выдерживание в отстойниках Анаэробная Глубокая очистка То же Отсутствие избыточного ила Очистка воды Дешевизна, удобрение Удобрение По лужидкое (текучее) Осадки сточных вод Навоз при самотечной уборке 4000 - 6000 2000 - 7000 Анаэробная То же Метан, отсутствие запаха Метан, удобрение, отсутствие запаха Тв ёрдое Твёрдые бытовые (ТБО) Органическая часть ТБО Подстилоч-ный навоз Анаэробная То же Компостиро-вание Анаэробная Компостиро-вание Метан Метан, удобрение Удобрение Метан, удобрение Дешёвое, качествен ное удобрение 4 Проблема утилизации твёрдых бытовых отходов В области переработки и ликвидации твердых отход ов биотехнологические методы наиболее широко применяются для утилизац ии коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков. Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все возр астающие объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огр омного количества свалок, увеличению их площадей, а также к неуправляемо му попаданию отходов в окружающую среду из-за рассыпания их при транспор тировке. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отход ов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель - би огаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организац ию свалок и получение на месте их переработки метана. На городских свалках в последние годы четко просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органически х и растительных материалов, что удлиняет время стабилизации отходов. Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно происходит наслаивание нового материала через различные вре менные промежутки. В результате этого процесс подвержен действию гради ентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроо рганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющих ся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываю тся разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и био каталитический потенциал микробного сообщества зависит от спектра хим ических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, нал ичия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности град иентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода. На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бакт ерий, актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окис ляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергают ся трудно и медленно окисляемые субстраты - лигнин, лигноцеллюлозы, мела нины, танины. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод оценки, о снованный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В неп ереработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину состав ляет около 4,0; в активно перерабатываемых - 0,9-1,2 и в полностью стабилизирован ных отходах - 0,2. В течение аэробной стадии температура среды может повыша ться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вир усов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состоян ия свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание процес сов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимос ть кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекуляр ного кислорода приводит к снижению тепловыделения и накоплению углеки слоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации с начала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной мин ерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные, вз аимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные ис пользовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинам ические и кинетические преимущества. Происходит последовательно проце сс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованны е при этом мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксид а углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии мета ногенов происходит процесс образования метана (рис.1). Рис. 1. Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях заключител ьной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990). Бактерии, потребляющие: I - нитраты, II - сульфаты; бактерии, образующие: III - проп ионат, IV - ацетат, V - метан; бактерии, катаболирующие: VI - аминокислоты, VII - метил ированные металлоорганические комплексы. В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации соде ржимого свалок, образуются два типа продуктов - фильтрующиеся в почву во ды и газы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнооб разных веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифати ческие, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные м акро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным моментом при выборе и орга низации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод о т загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые з асыпки или создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальн ые заграждения. Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная п ереработка с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэраци онных прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев можно удалить из вод до 70% БПК; в капельных биофильтрах или системах с акти вным илом - до 92% БПК с одновременным извлечением в результате биосорбции свыше 90% металлов (железа, марганца, цинка). Анаэробная биоочистка позволя ет удалить 80-90% ХПК в течение 40-50 дней при 25°С ( при 10°С величина удаления ХПК сн ижается до 50%). Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающ ей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности с ельскохозяйственных культур), поэтому следует ограничивать утечки газ а. Это возможно при помощи специальных приспособлений (преграды, траншеи , наполненные гравием, системы экстракции газа), позволяющих управлять п еремещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек, препят ствующих его утечке. Теоретический выход метана может составлять 0,266 м 3 /кг сухих тверд ых отходов. Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные на ра зличных лабораторных, пилотных установках и контролируемых свалках, да ют существенный разброс данных, от десятков до сотен л/кг в год. Огромное в лияние на процесс метаногенеза оказывают многие факторы, - температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекаетс я с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из по лиэтилена. Применение воздуходувок и насосов может повысить степень из влечения газа. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а посл е дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потр ебления [1]. Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический хара ктер, так как использование образующегося на свалках биогаза, снижает ма териальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущим и отходами. 5 Биологическая переработка промышленных отход ов Неотъемлемой чертой любого цивилизованного общ ества является образование как жидких, так и твёрдых отходов. Поиск безо пасных для здоровья населения и не загрязняющих окружающую среду спосо бов их ликвидации представляет собой одну из первостепенных задач. В обл асти переработки и ликвидации твёрдых отходов биотехнологическими мет одами наиболее значительное место, как по стоимостным, так и по объёмным показателям занимает утилизация ила сточных вод и твёрдых коммунальны х отходов. Промышленные отходы можно в первом приближении разделить на две катего рии: 1) отходы производств, основанных на использовании биологических пр оцессов (производство пищевых продуктов, напитков, ферментация); 2) отходы химической промышленности. В первом случае отходы имеют различный сост ав и обычно перерабатываются путем биологического окисления, как это де лалось традиционно в случае бытового мусора. Однако такой способ эконом ически невыгоден, и в настоящее время широко обсуждается вопрос о возмож ности уменьшения объема разбавленных сточных вод либо их непосредстве нного использования - трансформации (для получения биомассы или других ц енных продуктов), или же путем извлечения из них ценных соединений. В многочисленных и разнообразных отраслях химической промышленности о бразуется большое количество отходов, причем многие из них с трудом подд аются разрушению и длительное время присутствуют в среде. Поэтому часто перед обычной биологической переработкой отходов бывает необходимо пр овести их предварительную химическую или физическую обработку. Исполь зование специфических микроорганизмов для расщепления ксенобиотиков при переработке отходов еще не нашло широкого применения в промышленно сти, и тем не менее подобный подход представляется весьма перспективным . Это может быть: 1) деградация отдельных видов отходов in situ с помощью специализированных ку льтур микроорганизмов или их сообществ; 2) введение специально подобранных культур в обычные системы переработк и отходов; 3) ликвидация и обезвреживание разливов нефти; 4) извлечение металлов; 5) биологическая очистка газов от пахучих и вредных соединений (меркапта нов, сероводорода, цианида, хлорзамещенных углеводородов и т.д.); 6) получение биомассы из отходов; 7) превращение отходов в метан. В результате широкого применения человеком продукции химической промы шленности в окружающую среду попадают различные типы ксенобиотиков: пл астмассы (пластификаторы), взрывоопасные вещества, добавки, полимеры, кр асители, поверхностно-активные вещества пестициды и органические соед инения - производные нефти. Что касается бытового мусора, то для его перер аботки созданы широко применяемые системы, использующие активный ил и о росительные фильтры. Сточные же воды химической промышленности, как пра вило, не соответствуют возможностям подобных систем. Интенсивность пер еноса кислорода в ходе процессов, обычно протекающих в таких системах, б ывает недостаточна для поддержания максимальной скорости окисления пр и участии микрофлоры. Эти процессы чувствительны также к колебаниям в за грузке реактора, особенно если токсичные вещества и ингибиторы поступа ют в систему в высоких и непостоянных концентрациях. Проблему недостатка кислорода, возникающую при переработке отходов хи мической промышленности в обычно используемых системах на основе акти вного ила, пытались решить несколькими способами. В двух случаях (распре делитель с пробулькиванием и система "Анокс") для увеличения скорости пе реноса газа использовали чистый кислород. В одной из новых систем перера ботки отходов - колонном эрлифтном ферментере, разработанном фирмой ICI - п ошли по пути увеличения количества растворенного кислорода. В централь ной части колонны имеется не доходящая до дна вертикальная секция, в кот орую сверху поступают отходы и повторно используемый активный ил; туда ж е вводится воздух. Когда смесь выходит из ферментера вверх по наружной с екции колонны, давление в системе падает, что вызывает пробулькивание пу зырьков воздуха. Благодаря высокому содержанию растворенного кислород а и турбулентности биомасса поддерживается в высокоактивном состоянии и становится более устойчивой по отношению к перегрузкам, а также к умен ьшению аэрации и времени нахождения отходов в ферментере, особенно в слу чаях высококонцентрированных отходов. Такие процессы с повышенной аэрацией устойчивы к резким перегрузкам от ходами, не оказывающими токсического или ингибирующего действия. В случ ае же токсичных отходов более пригодными оказываются системы, в которых используются микроорганизмы, растущие в пленках. Такие популяции микро бов не вымываются из системы, даже если на их рост и метаболизм оказывают неблагоприятное воздействие поступающие сточные воды. Кроме того, внут ри пленки из-за ограничения диффузии создаются градиенты концентрации. Это приводит к понижению концентраций токсичных продуктов внутри плен ки, а следовательно, к повышению скорости их усвоения и окисления. Пленка создает также экологическую нишу для организмов, рост которых в присутс твии высоких концентраций отходов при перегрузках существенно замедля ется; Самая простая форма пленочной системы - это перколяционный фильтр, однако подобного рода пленки разрушаются, если они становятся очень тон кими, при уменьшении концентрации субстрата на поверхности подложки. В т аком случае клетки погибают, и пленка отпадает, засоряя фильтры внутри с истемы переработки отходов. При слишком высоких концентрациях субстра та происходит быстрый рост микроорганизмов, что приводит к образованию толстой пленки и к ее периодическому отслоению. Интенсивность подобных процессов можно снизить, разбавив поступающий раствор с питательными в еществами, осветленными сточными водами. Разработка новых методов сохр анения толщины пленки представляет безусловный интерес. Так, при помощи медленного вращения диска из полистирола внутри протекающих сточных в од толщина пленки поддерживается постоянной за счет гидродинамических сил и аэрации при выходе пленки из воды. Такая эффективная и простая сист ема была предложена для очистки стоков с низкой величиной БГЖ. Еще один э ффективный метод переработки токсичных отходов in situ может быть основан н а использовании реакторов с ожиженной подложкой, где микроорганизмы ра стут на поверхности небольших инертных частиц (песок, стекло, антрацит), ч ерез слой которых пропускают с контролируемой скоростью сточные воды и воздух. Отходы, не содержащие азота или фосфора, не способны поддерживать рост м икроорганизмов. В подобных случаях для окисления токсичных соединений до двуокиси углерода можно использовать покоящиеся клетки при условии, что активность их гидролитических и окислительных ферментов не подавл яется. Поскольку среда при переработке отходов в колонных реакторах пер иодически меняется, микроорганизмы оказываются в условиях голодания и в это время их рост прекращается. При поступлении источника углерода на короткое время включается несопряженный метаболизм, когда организмы д ышат, но не растут. Это дает то преимущество, что уменьшается общий выход б иомассы (ила). 5.1 Отходы молочной промышленности; сыворотка Сыворотка является побочным продуктом сыроваре ния. Ее состав зависит от типа используемого молока и вырабатываемого сы ра. В высушенном или концентрированном виде сыворотка применялась в кач естве корма для животных; одна-. ко ее недостатком является то, что она нес балансирована с точки зрения содержания питательных веществ: в ней слиш ком высока концентрация минеральных веществ и лактозы. Разработаны спо собы извлечения из сыворотки белков путем ультрафильтрации, осаждения или выделения с помощью ионного обмена Из таких белков можно получать бе лковые гидролизаты, используя для этого ферментеры. После извлечения бе лков получают большие объемы фильтратов с высокими концентрациями лак тозы (35 - 50 г/л), минеральных веществ, витаминов и молочной кислоты, и встает п роблема дальнейшего их использования. Если превратить лактозу в молочн ую кислоту при участии молочнокислых бактерий, то мы получим источник уг лерода, который может сбраживаться дрожжами (например, смешанными культ урами Lactobacillus bulgarius к Candida krusei). Возможно и прямое сбраживание лактозы дрожжами Kluyveromyces fragilis или Candida intermedia. После подобного сбраживания не обязательно отделять ми кроорганизмы от среды, объем которой можно уменьшить и получить обогаще нную белком сыворотку. Из сыворотки получают не только белковые продукты, но и (путем ферментац ии) сырье для химической промышленности (например, этанол). Путем химичес кого гидролиза лактозы с последующим удалением глюкозы из раствора с по мощью ферментации можно получать галактозу. Альтернативный биологичес кий путь - использование мутантных дрожжей, лишенных в-галактозидазы. Та кие мутанты сохраняют способность к гидролизу лактозы и используют обр азующуюся глюкозу в качестве источника углерода. В результате гидролиз а лактозы фильтрат становится более сладким; на опытных установках тако й гидролиз осуществляют с помощью иммобилизованной в-галактозидазы. Ги дролизованный фильтрат не только находит применение в пищевой промышл енности, но может оказаться полезным и при решении проблем, связанных с н едостатком ферментов у некоторых животных-отъемышей и с непереносимос тью лактозы у человека. Из сыворотки получают и другие химические соедин ения: лактозу, лактулозу, лактитол и лакто-бионовую кислоту [5]. 5.2 Отходы целлюлозно-бумажной промышленности Волокнистый материал, применяющийся при произво дстве бумаги и других продуктов, получают как из древесных, так и из травя нистых растений после химического расщепления лигнина. Однако этот про цесс сопровождается потерей большого количества древесины и образован ием огромного количества отходов. Все это должно стимулировать разрабо тку альтернативной химической технологии. В настоящее время применяют два процесса получения древесной пульпы. Ос новной из них - это щелочная варка (сульфатный процесс), в результате котор ой образуется темная сульфатная варочная жидкость. Эти отходы содержат трудно перерабатываемые ароматические продукты расщепления лигнина и низкомолекулярные органические кислоты (глюкоизосахариновую, молочну ю, уксусную и муравьиную). При получении пульпы из смолистой древесины со сны образуются талловое масло и терпены, широко использующиеся в промыш ленности. Сульфатную варочную жидкость не удается перерабатывать биол огическими способами, которые могли бы применяться в промышленном масш табе; гораздо экономичнее упаривать эту жидкость и сжигать ее, получая т аким образом энергию из отходов. Сульфатная варка целлюлозы применяется реже; она дает отходы следующег о состава: лигносульфонаты с ароматическими элементами (60%), сахара (манно за, галактоза, глюкоза, ксилоза, арабиноза (36%), уксусная кислота, метанол и ф ур-фураль). Эти жидкие отходы - хорошее сырье для ферментации благодаря вы сокому содержанию в них углеводов. Их ферментация в широких масштабах на чата в 1909 г. В настоящее время традиционным методом удаления пентоз, гексо з и уксусной кислоты из таких отходов служит их ферментация при участии дрожжей. Помимо этих традиционных методов, вскоре будут использоваться и новые процессы превращения отходов в грибной белок с помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichum pulveralentum и Chaetomicum cellulolyticum.Неподдающиеся переработке соединения можно кон центрировать и сжигать. Лигносульфонаты применяют в качестве связываю щих веществ и вспомогательных средств при бурении; щелочным окислением при повышенном давлении их можно превращать в ванилин. Вообще говоря, гл авное в переработке отходов целлюлозно-бумажной промышленности - это по нижение энергозатрат, а какой химический принцип при этом используется, менее существенна. Основная экологическая проблема, порождаемая целлюлозно-бумажной пром ышленностью, это очистка сточных вод, а также обработка конденсатов, обр азующихся в испарителях и реакторах. Сточные воды осветляют путем нейтр ализации и отстаивания, окисления в одно- и двухстадийных установках с а ктивным илом, в аэрируемых отстойниках или путем сочетания биологическ их и химических способов окисления. Эти методы пригодны для эффективног о удаления соединений, подверженных биодеградации, а также токсичных пр оизводных фенола, однако они оказываются дорогими и неэффективными в сл учае производных лигнина, с трудом поддающихся переработке. Отбеливате ли, содержащие хлорпроизводные бифенилов, можно обесцвечивать с помощь ю грибов - возбудителей белой гнили. Среди побочных продуктов сульфитного процесса получения целлюлозы пре обладают химически модифицированные лигнины, образующиеся во многих р еакциях между активным сульфитом и каким-либо сложным природным полиме ром. Структура лигносульфонатов в деталях неизвестна. Они представляют собой гетерогенную смесь соединений с широким спектром молекулярных м асс (300-100000); состав смесей определяется природой перерабатываемой древеси ны. Образование сульфонатов приводит к частичной солюбилизации лигнин овых фрагментов. Сложность структуры лигносульфонатов затрудняет изуч ение их биодеградации. Для упрощения задачи обычно используют модельны е соединения, например дегидрополимеры кониферилового спирта или друг ие низкомолекулярные продукты. Низкомолекулярные лигносульфонаты чув ствительнее к биодеградации, чем высокомолекулярные; с другой стороны, п роизводные лигнина, видимо, устойчивее к разрушению, чем сам лигнин. След овательно, образование сульфопроизводных затрудняет переработку. В таких сопряженных окислительно-деградативных процессах почвенные гр ибы и бактерии более эффективны, чем гнилостные грибы; для осуществления этих процессов требуется также дополнительный источник углерода. Расп ад лигносульфонатов нередко сопровождается полимеризацией, в результа те чего наблюдается сдвиг в распределении полимеров по молекулярным ма ссам. Эти изменения могут коррелировать с присутствием внеклеточных фе нолоксидаз (например, лакказы), физиологическая роль которых остается не известной. Фенолы превращаются в соответствующие хиноны и фенокси-ради калы, которые спон-; танно полимеризуются. Таким образом, полимеризация и деградация происходят одновременно. Однако в случае некоторых грибов р еакции полимеризации не протекают в присутствии целлюлозы. Целлюлоза р аспадается до целлобиозы, являющейся субстратом для целлобиоза: хинон о ксидоредуктазы, которая одновременно окисляет целлобиозу и восстанавл ивает хиноны и фенокси-радикалы. Может существовать и другая оксидореду ктазная система, в которой легкодоступные источники углерода использу ются для восстановления хинонов. Возможная роль подобной биологическо й полимеризации состоит в облегчении осаждения лигно-сульфонатов. Лигн осульфонаты применяются как связывающие вещества при производстве отд ельных видов картона, где в качестве катализатора полимеризации исполь зуют содержащие лакказу культуральные фильтраты. Фенолоксидазы могут играть важную роль в определении судьбы многих ксенобиотиков в окружаю щей среде, участвуя в полимеризации фенолов и в образовании органически х полимеров почвы. Чувствительность лигносульфонатов к биодеградации увеличивается пос ле их химической или физической модификации. Под действием УФ-облучения и озонирования происходит фрагментация этих молекул, а удаление остатк ов сульфоновой кислоты хотя и снижает растворимость лигносульфонатов, одновременно уменьшает их устойчивость к биодеградации. Предпринимали сь попытки использовать для микробного десульфирования анаэробные сул ьфатредуцирующие бактерии и некоторые виды Pseudomonas. Большими потенциальным и возможностями в этом смысле обладают смешанные культуры. Использован ие таких культур для разрушения лигносульфонатов может оказаться боле е эффективным, чем применение отдельных штаммов, поскольку при этом могу т быть созданы сообщества с широким спектром активностей, например, спос обные к десульфированию, расщеплению прочных связей, метилированию и де полимеризации. В результате может быть получена высокоэффективная био окислительная система. В одной из опытных установок для получения БОО из углеводов, содержащихся в отходах целлюлозно-бумажной промышленности, используют Candida utilis, a для разрушения остаточных лигносульфонатов - смешанну ю культуру. Биомасса, образующаяся на второй стадии этого процесса, не на ходит сбыта, поэтому ее повторно используют после термообработки для ус корения роста Candida. 5.3 Переработка отходов после очистки воды Традиционные физико-химические методы перерабо тки сточных или канализационных вод приводит к образованию значительн ого количества твёрдых отходов. Некоторая их часть накапливается уже на первичной стадии осаждения, а остальные обусловлены приростом биомасс ы за счёт биологического окисления углеродсодержащих компонентов в ст очных водах. Твёрдые отходы изначально существуют в виде различных сусп ензий с содержанием твёрдых компонентов от 1 до 10%. По этой причине процесс ам выделения, переработки и ликвидации ила стоков следует уделять особо е внимание при проектировании и эксплуатации любого предприятия по пер еработке сточных вод. В общих чертах, технические методы обработки ила сводятся к достижению о пределённой степени обезвоженности. Выбор процесса или последовательн ости процессов в любой технологической цепочке утилизации ила определ яется способом его ликвидации, наиболее подходящим для конкретного вид а ила и места его переработки. Каждый тип ила обладает различными свойст вами в таких процессах, как, например, перекачка, химическая обработка ил и фильтрование. Поэтому выбор способа переработки определяется главны м образом экономическими показателями процесса, зависящими от типа ила. 5.3.1 Переработка ила Концентрирование. Различные типы сырых осадков с точных вод первоначально не отличаются высокой концентрацией твёрдых компонентов. Поэтому, согласно современным теориям утилизации ила, в бол ьшинстве случаев необходимо обеспечивать определённую степень обезво живания ещё до начала основных процессов переработки. Одним из наиболее простых способов достижения этой цели является длительное осаждение п од действием силы тяжести - отстаивание. Различают первичное и вторичное отстаивание. Первичное применяется непосредственно после сброса сточ ных вод. Вторичное отстаивание применяется для ила, прошедшего стадию ан аэробного сбраживания. Сложности при этом обычно связаны с наличием мик ропузырьков биогаза, образующихся во время процесса сбраживания. Поэто му перед вторичным отстаиванием обычно предусматривают операции удале ния газа. Концентрировать ил также можно и с помощью центрифугирования и флотаци и. Фильтрование. Ил может быть обезвожен до более высокой степени фильтров анием. В Великобритании подобные процессы чаще всего проводят на фильтр- прессах. Установка состоит из набора плит, подвешенных на боковых брусья х или верхней балке. На плитах сделаны углубления таким образом, чтобы ме жду ними образовывались камеры, на каждую плиту натягивается фильтрова льная ткань, и вся конструкция фиксируется либо болтами, либо с помощью г идравлического давления. Далее насосами фильтр заполняется илом и обес печивается давление для создания движущей силы фильтрования. В конце ци кла, после прекращения стока воды, давление снимается, плиты разделяют, а твёрдый осадок удаляют. Модификация ила. Обезвоживание большинства типов ила, полученных в ходе различных операций по переработке стоков, - сложный процесс. Необходимой стадией является предварительная обработка ила с целью улучшения филь труемости. Это и есть модификация его свойств. Как правило, этот процесс з аключается в добавлении химикатов, действующих как коагулянты или флок улянты. В качестве таких реагентов могут быть использованы неорганичес кие соли (известь, хлорид железа, сульфат железа, хлоргидрат алюминия) или специально подобранные органические полимеры с различной молекулярно й массой и ионным сродством. Какие бы типы реагентов ни употреблялись (неорганические или органичес кие), на практике важно не превышать некоторой оптимальной дозировки. Из быточное количество не только ведёт к расточительству и увеличению рас ходов, но иногда вызывает и ухудшение фильтруемости. Аэробная переработка отходов. Аэробная переработка стоков - это самая об ширная область контролируемого использования микроорганизмов в биоте хнологии. Она включает следующие стадии: 1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности: 2) расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами; 3) поглощение растворенных веществ клетками; 4) рост и эндогенное дыхание; 5) высвобождение экскретируемых продуктов; 6) "выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями. В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количес тву биомассы и времени контактирования ее с отходами. Системы аэробной п ереработки можно разделить на системы с перколяционными фильтрами и си стемы с использованием активного ила Активный ил. Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляемая сложной см есью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффектив ен, чем фильтрация, и позволяет перерабатывать сточные воды в количестве , в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недос татков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимост и перемешивания и аэрации; большими трудностями в осуществлении и подде ржании процесса; образованием большого избытка биомассы. Несмотря на вс е это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее распростране нным методом переработки сточных вод в густонаселенных районах, поскол ьку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная систем а. Как и в фильтрационные системы, в систему с активным илом были внесены не которые изменения. Следующие из них связаны с аэрацией. 1. Градиентная аэрация, приводящая интенсивность аэрации в соответствие с потребностью в кислороде, которая на входе больше, чем на выходе. 2. Ступенчатая аэрация, при которой по всей длине тэнка сточные воды посту пают с интервалами. 3. Контактная стабилизация, при которой повторно используемый ил аэриру ется, что способствует более полной утилизации микроорганизмами любых доступных питательных компонентов. Это приводит к более полной ассимил яции отходов при возврате в основные рабочие танки. В результате объем и ла на стадии аэробного разложения уменьшается, что в принципе аналогичн о увеличению аэрации. 4. Использование чистого кислорода в закрытых тэнках, которые поэтому мо гут работать при более высоких концентрациях биомассы; таким образом ум еньшается время пребывания сточных вод в тэнке и, кроме того, решается пр облема "разбухания" (избыточного роста нитчатых бактерий и грибов), препя тствующего оседанию ила. Активный ил - это истинно водная среда. Как и в перколяционных фильтрах, ос новная группа бактерий, участвующих в процессе переработки, - это Zoogloea. Счит ается, что активно растет только небольшая часть флокуляционного ила. По сравнению с перколяционными фильтрами в активном иле наблюдается мень шее экологическое разнообразие. Рост водорослей ограничивается недост атком света, а виды и разнообразие присутствующих в иле простейших опред еляются степенью переработки отходов. Для успешной переработки бытовых и промышленных отходов необходимо то чно знать состав и концентрацию стоков. Это служит "руководством к дейст вию": зная качественные и количественные характеристики среды, можно сра зу установить, какой микробный посевной материал необходим для инициац ии работы системы. Часто бывает трудно показать, что именно те микроорга низмы, которых выделяют из систем биологической переработки отходов, ос уществляют окисление присутствующих соединений. Микробиологическое и зучение любой системы, использующей активный ил, включает: 1) идентификацию микроорганизмов и определение их численности; 2) оценку микробиологической активности как популяции в целом, так и отде льных видов; 3) оценку соотношения между (I) и (2), с одной стороны, и количеством вводимых пи тательных веществ и продуктов переработки - с другой. Микробиологическую активность активных илов можно оценивать по прирос ту биомассы или по интенсивности общего метаболизма; последний включае т изменения, происходящие в среде. Измерения могут проводиться и для как ой-то отдельной популяции микроорганизмов. Можно показать, что активнос ть ила связана с определенными бактериями, точно подсчитать их число и о пределить метаболическую активность. Далее можно выяснить, в какой мере та или иная специфическая активность ила определяется конкретными вид ами бактерий с известными свойствами, и установить, какое влияние оказыв ают на них неблагоприятные условия, в которых они оказываются из-за пост упления в среду тех или иных питательных веществ или продуктов метаболи зма других микроорганизмов. Для сточных вод, поступающих в емкость с акт ивным илом, характерны высокие концентрации органических соединений и, следовательно, наличие больших количеств хемоорганотрофных видов, нап ример Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas и Moraxella, а также многих других бактерий. При высоких конце нтрациях неорганических соединений в стоках обнаруживаются бактерии Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter и Ferrobacillus spp., окисляющие соответственно серу, аммиак и железо. Эти о рганизмы были выделены из систем для переработки отходов и идентифицир ованы с помощью методов селективных культур. В ходе этих работ важно уст ановить, играют ли какие-либо виды главенствующую роль в тех процессах, к оторые протекают в активном иле. Этот аспект часто недооценивается, особ енно небиологами. Нередко бывает трудно однозначно установить роль тог о или иного микроорганизма. Например, если из системы по переработке отх одов выделены Thiobacilhts, окисляющие соединения серы, то это еще не означает, что вся активность такого рода определяется именно этими микроорганизмами : частичное окисление ряда соединений серы осуществляют и виды Pseudomonas. Взаимосвязи между организмами, участвующими в катаболизме органически х и неорганических субстратов, имеют важное значение для регуляции проц ессов, происходящих в активном иле. Промежуточные продукты метаболизма у одного вида бактерий способны оказывать влияние на процессы деградац ии у другого. Например, фенол подавляет активность организмов, окисляющи х аммиак: он может ингибировать этот окислительный процесс даже при стол ь малых концентрациях, как 3 - 4 мкг/л. Промежуточные продукты расщепления бензойной кислоты до катехола, сук цината и ацетата ингибируют образование ферментов, участвующих в начал ьных этапах расщепления. Катехол и сукцинат подавляют синтез ферментов, разрушающих бензоилформиат и бензальдегид, по механизму обратной связ и, а ацетат действует как катаболитный репрессор: наличие простого орган ического соединения подавляет расщепление более сложных молекул до те х пор, пока это более простое соединение не будет использовано. Когда инг ибирование снимается, синтезируются новые ферменты, ответственные за р асщепление более сложных ароматических структур. На практике при налич ии в отходах гомологичных рядов каких-либо соединений необходимо образ ование ферментов, способных справиться с расщеплением самой сложной мо лекулы данного ряда Полное расщепление таких соединений должно происх одить в течение определенного минимального времени удержания (нахожде ния, отходов в реакторе) в процессе переработки. Следовательно, можно пре дсказать, какая обработка потребуется для окисления фенольных соедине ний; например, чем сложнее боковая цепь молекулы, тем больше времени необ ходимо для ферментативного разрушения этого вещества. Эффективность данного процесса можно повысить, изучив механизмы регул яции метаболизма в микрофлоре систем с активным илом. Регуляция биодегр адации - это сложная задача. Однако, зная биохимию соответствующих проце ссов, мы, по-видимому, сможем вмешиваться и в их регуляцию. Например, добав ление к илу промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в низки х концентрациях (2-5 мг/л), глюкозы, аминокислот и витаминов (в частности, ала нина и никотиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соедине ний. Введение этих промежуточных продуктов в состав биомассы увеличива ет энергетические потребности системы, стимулирует синтез АТР за счет у силенного окисления неорганических веществ типа серы или аммиака. Пони мание биохимии подобных процессов, видимо, даст возможность вмешиватьс я в процессы регуляции метаболизма Задача микробиолога-биотехнолога при разработке методов очистки сточн ых вод состоит в более полном изучении и учете взаимосвязи между активно стью микроорганизмов, образованием хлопьев ила и производительностью установки по переработке отходов. В этом смысле превращения в системе ак тивного ила следует рассматривать в основном как окислительные процес сы во влажной среде, сопровождающиеся увеличением объема ила, которое мо жно расценивать как вредное или полезное (последнее - когда ил используе тся повторно). Совершенно очевидно, что биологический способ переработк и пригоден для множества различных органических и неорганических соед инений и устраняет их вредное воздействие на окружающую среду. Акт о защите среды от загрязнений от 1994 г. по мере претворения его в жизнь б удет оказывать все возрастающее влияние на технологию очистки сточных вод. Термин "биодеградация" используется сейчас очень широко, но имеет мн ожество толкований. Иногда под биодеградацией понимают полную минерал изацию какого-либо соединения микроорганизмами с образованием углекис лого газа, сульфата, нитрата и воды - это одна крайность. Другая крайность состоит в том, что данный термин используют применительно к незначитель ным изменениям соединений, приводящим к утрате ими некоторых характерн ых свойств. Стандартные методы оценки деградации позволяют определить термин "биодеградация" следующим образом: 1) первичная деградация, при которой характерные свойства исходного соед инения утрачиваются и перестают выявляться специфическими химическим и тестами; 2) допустимая для окружающей среды биодеградация, при которой происходит минимальное изменение исходного соединения, необходимое для утраты ег о свойств (оба этих определения основаны на произвольных критериях, и по этому неточны); 3) окончательная биодеградация, включающая полное превращение исходног о соединения в неорганические конечные продукты и связанная с нормальн ыми процессами метаболизма микробов. Анаэробное разложение. Все возрастающая стоимость переработки отходов с помощью аэробного разложения и энергетический кризис, с одной стороны , и новые достижения микробиологии и технологии - с другой, возродили инте рес к анаэробной переработке. Самая распространенная технология анаэр обной переработки - разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд про блем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метан образующих бактерий, которые используются в данной системе. К ним относя тся также чувствительность к различным воздействиям и неприспособленн ость к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довол ьно медленно, и поэтому обходится дорого. Некоторые проблемы связаны с н еудачными инженерными решениями. Тем не менее, этот подход представляет ся перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам ферменты для повышения эффективности процесса или попытатьс я усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологи ческих параметров. Анаэробная ферментация отходов или растительных культур, специально в ыращиваемых для получения энергии, очень перспективна для экономичног о получения газообразного топлива при умеренных температурах (30 - 35°С). Эта новая отрасль биотехнологии была развита микробиологами в сотрудничес тве с инженерами-химиками и механиками, работниками сельского хозяйств а и экономистами. При выращивании сообщества различных бактерий на смеси органических с оединений происходят сложные биохимические реакции. Метанобразующие б актерии способны к синтезу энергоносителя непосредственно из водорода и углекислого газа. Микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, синтезирую т жирные кислоты, которые могут подвергаться восстановительному расще плению до метана и углекислого газа; некоторые бактерии способны даже об разовывать молекулярный водород. Описано сложное, взаимозависимое мик робное сообщество, в котором можно выделить три группы бактерий: бактери и, осуществляющие гидролиз и брожение; бактерии, образующие водород и ук сусную кислоту; а также водородотрофные, метанобразующие бактерии. Мета нобразующие бактерии растут медленно и очень чувствительны к резким из менениям загрузки реактора и накоплению водорода. Можно надеяться, что у совершенствование конструкции реактора и контроль за процессом помогу т уменьшить колебания загрузки реактора и позволят контролировать ее, о пределяя содержание водорода и промежуточных продуктов типа пропионов ой и масляной кислот. Проблемы перегрузки, особенно существенные в случа е промышленных стоков, можно обойти, увеличивая скорости оборота и приме няя в качестве буферных систем сточные воды химических предприятий и бы товые сточные воды. Для увеличения метаногенной активности бактерий мо жно использовать обычные методы отбора или методы генной инженерии. Оце нить возможность использования данного процесса при переработке смеша нных отходов, а также охарактеризовать потребности в питательных вещес твах и усовершенствовать начальный этап процесса за счет уменьшения ко личества необходимого микробного посевного материала поможет дальней шее изучение физиологии и экологии участвующих в процессе микрооргани змов. Для получения энергии и полезных побочных продуктов можно использоват ь самые разнообразные отходы и сырье. 5.3.2 Ликвидация ила 1.Захоронение в почве. В странах ЕЭС ежегодно произ водится около 6 Мт ила, причём до 30% применяется в качестве удобрения в сель ском хозяйстве. Такое использование ила весьма выгодно как с точки зрени я роста урожайности, так и в плане улучшения почвы. Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит азота 5,1; фосфора 1,6 и калия 0,4%. Доступность этого азота для сельскохозяйственных культур составляет 50-85%, а фосфора 20-100%. Таким обра зом, жидкий сброженный ил по содержанию этих элементов не уступает навоз у. Этот способ ликвидации осложняется двумя обстоятельствами: присутстви ем в иле патогенных организмов и токсичных элементов. Распространение п атогенных организмов может быть пресечено рядом мер по дезинфекции ила перед его внесением в почву. Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два патогенны х организма: Salmonella spp. и бычий цепень. Однако в иле могут присутствовать и друг ие патогенные виды, в частности паразитические, например Brucella abortus и Ascaris suum. Борь ба с болезнями основывается на стабилизации ила. Основными стабилизирующими ил процессами являются сбраживание, склады вание в кучи или обработка известью. В качестве альтернативы возможно за хоронение ила ниже уровня почвы. 2. Захоронение в море. 3.Сжигание. 6 Биодеградация твёрдых отходов Перед транспортировкой твёрдых отходов на свалк у они могут быть подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Эта предварительная обработка может сильно влиять на катабо лические процессы в твёрдых отходах. На типичной свалке, где отходы разм ещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов пе риодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях био деградации и подвергаются случайным воздействиям, например, попаданию воды, содержащей растворённый кислород или различные ксенобиотики. В эт ом случае можно применить простую модель периодических культивировани й, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Дл я более традиционного типа свалки можно использовать модель периодиче ского культивирования с повторным внесением посевного материала микро организмов и беспозвоночных. В начальной стадии катаболизма твёрдых отходов, сопровождаемого физич ескими и химическими процессами, преобладают аэробные процессы, в ходе к оторых наиболее лабильные молекулы быстро разрушаются рядом беспозвон очных и микроорганизмами. Утилизация миксотрофных субстратов затем см еняется последующим катаболизмом макромолекул, таких как лигноцеллюло зы, лигнин, танины и меланины, которые способны только к медленной биодег радации, что приводит к тому, что кислород перестаёт быть лимитирующим с убстратом. 6.1 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей сре де Биодеградация органических соединений, загрязн яющих окружающую среду, оправдана только в том случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация; если же б иохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токс ичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не толь ко нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих среду в еществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. С удьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных фа кторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различн ым воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летуч есть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы буд ут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградац ии ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его спо собности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синт етического продукта и природного соединения, которое подвергается ест ественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма. В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался тр адиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изо лятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания н е могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергают ся действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для кот орых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи. 6.2 Биодеградация нефтяных загрязнений Рассмотрим процессы биодеградации сложных смес ей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь по йдет как о сточных водах нефтяной промышленности, так и о загрязнении не фтью окружающей среды. Источники таких загрязнений могут быть самые раз нообразные: промывка корабельных бункеров для горючего, аварии на танке рах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей с реды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов. Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим спо собом после удаления большей части нефти физическими способами или с по мощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной « акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления ст оков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном у ровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, види мо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы. Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как в ыветривание. В ходе этих абиотических процессов, включающих растворени е, испарение и фотоокисление, разлагается ( в зависимости от качества неф ти и от метеорологических условий) 25 - 40% нефти. На этой стадии разрушаются м ногие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградаци и выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматически х, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также асфальтенов в разл ичных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают ра зветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и асфальт ены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и скорость биод еградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает ско рость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на к омпонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. На пример, больше всего их находят поблизости от крупных портов или нефтяны х платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация неф ти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу м икробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, наприм ер асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основн ые физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти, - это темпе ратура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень ди сперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется т огда, когда нефть эмульгирована в воде. Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на по верхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных в од и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорган измов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не вс егда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхно стно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной не фти. 6.3 Пестициды Слив отходов производства пестицидов сегодня ст рого контролируется; технология очистки сточных вод или их детоксикаци и хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включае т сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биолог ическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происхо дящих при утечках или при промывке и замене контейнеров с пестицидами, п одходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающу ю среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйстве нных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибам и. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко о существляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны раз личные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ, идуще й, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минер ализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиот ик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основны м источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же ста дии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные м икробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидр олиза может значительно уменьшиться токсичность пестицидов или увелич иться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферме нтов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообра зных пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстразы, ациламиназ ы и фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он до лжен обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть нечувствительным к небольшим количествам растворителей и тяжелых металлов, не ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных систем, а также хорошо храниться. В ряде случае в в качестве биологического агента детоксикации была испробована пара тионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остат очного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентра ции субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) испол ьзовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его ко нцентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратио на в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раст вора и концентрации фермента. При этом значительные количества пестици да были обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов -- это оч истка сточных вод. Были описаны гидролазы для детоксикации других пести цидов. Многие из них обладают широкой субстратной специфичностью, что от крывает большие возможности для создания других простых систем детокс икации пестицидов. В будущем подобные системы смогут применять при пром ывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэр озолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использовани я. 7 Ликвидация токсичных и опасных отходов Ликвидация токсичных и опасных отходов на свалке , отдельно или вместе с твёрдыми отходами, требует тщательного выбора ме ста свалки и материала для ограждения. Часто токсичные и опасные жидкие отходы и илы подвергаются стабилизации или отверждению перед их ликвид ацией на свалке. Ликвидация токсичных и опасных твёрдых отходов вместе с обычными требу ет учёта следующих факторов: типа отходов (твёрдые, ил, жидкие), совместимо сти видов микроорганизмов, нагрузки, испарения, скорости вымывания, хара ктеристик твёрдых отходов, температуры и водного баланса в данном месте. Механизм ослабления вредных воздействий может быть как микробиологиче ским, так и физико-химическим. Так, при ликвидации отходов, содержащих сол и бария, было показано, что основную роль играют физико-химические механ измы, в основном адсорбция. Микроорганизмы косвенно участвуют в этом про цессе, так как происходит осаждение бария в виде карбоната за счёт выдел яемого микроорганизмами диоксида углерода, а присутствие жирных кисло т существенно влияет на подвижность бария за счёт образования комплекс ов. Радиоактивные отходы также могут быть подвергнуты микробной трансформ ации. Если такие изотопы, как 3 Н, 58 Со, 85 Sr и 134 Cs, нуждаются только в косвенном проявлении мик робной активности, то ликвидация соединений мышьяка требует прямого уч астия микроорганизмов в процессах восстановления и метилирования до д и- и триметиларсина. 8 Компостирование органических отходов Компостирование - это экзотермический процесс би ологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в услови ях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органи ческий субстрат претерпевает физические и химические превращения с об разованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот про дукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, пр едставляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства , сырой активный ил и нечистоты. В процессе компостирования удовлетворяе тся в основном потребность в кислороде, органические вещества переходя т в более стабильную форму, выделяются диоксид углерода и вода и возраст ает температура. В естественных условиях процесс биодеградации протек ает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать в кучи, что позволи т сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть бо лее высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс и есть процесс ком постирования. Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и мультидис персность субстрата, необходимая для нормальной аэрации. Навоз, сырой ак тивный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются аэрации. Их необходимо смеш ивать с твёрдым материалом, собирающим влагу, который обеспечит дополни тельный углерод и нужную для аэрации структуру смеси. В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий - более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы п о температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психроф илов предпочтительна температура ниже 20 0 С, для мезофилл ов - от 20 до 40 0 С и термофилов - свыше 40 0 С. Микрооргани змы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами. Заключение Развитие всех современных направление биотехно логии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее вре мя настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком базируются на научны х достижениях. При этом то, что лишь недавно было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в производство. Круг наук, резу льтаты которых воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Та ким образом, расширяются возможности и сферы самой биотехнологии. Вероя тно, в будущем не будет ни одного направления человеческой деятельности , которое не было бы в тех или иных пределах связано с биотехнологией. Расширение сферы внедрения биотехнологии изменяет соотношение в систе ме «человек - производство - природа», повышает производительность труда , принципиально изменят его качество. Биологизация производства в целом - одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся пр оизводственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в п рироду, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенно й деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируема я деятельность может привести к не- обратимым изменениям в биосфере в це лом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обита ния человека. Разрешение это- го противоречия, то есть создание такого ра вновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосущес твованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только н а основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разу мное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разруш ение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, долж но оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, т о есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнол огии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых тех нологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более ра циональное использование природных ресурсов и создание замкнутых прои зводственных циклов. Практическая часть Задача №1. При инокулировании клетками E.coli 25 мл пепто нной среды исходная численность популяции составила 3,8*10 6 клеток; инкуб ация происходила при 37 о С. Стационарная фаза (3*10 9 кл/мл) была дос тигнута через 284 мин; лаг-фазы не было. Каково среднее время генерации на пе птонной среде? Задача №2. Клетки E.сoli росли на среде, содержащей фруктозу в количестве 0,5 г/л ( единственный источник углерода); сахар был полностью исчерпан за 528 минут . Концентрация клеток при инокулировании 5*10 4 кл/мл. Соотнош ение между стационарной популяцией бактерий и концентрацией фруктозы линейно до концентрации сахара 0,8 г/л (при этой концентрации численность п опуляции бактерий составляет 3,2*10 8 кл/мл). Определите среднее время генерации организма в этой среде. Какова продолжительность периода времени до нач ала снижения роста в условиях избытка фруктозы (при том же количестве ин окулянта). Можно принять, что нарушение линейности между суммарным росто м и концентрацией фруктозы происходит очень резко. Задача №3. Для бактериологического анализа через мембранные фильтры про фильтровано 10 мл воды до хлорирования и 1 л хлорированной воды. Определить коли - индекс и эффективность процесса обеззараживания, если при выращи вании на среде Эндо в первом случае на фильтре обнаружено 40 специфически х колоний, а во втором - 3. Оценить пригодность такой воды для питьевых целе й. Задача №4. Среда, содержащая глюкозу в концентрации 0,25 г/л и неизвестное кол ичество галактозы, была инокулирована E.coli (5,2*10 5 кл/мл среды). Ла г-фаза отсутствовала. Среднее время генерации было равно 40 минут (при утил изации глюкозы); после исчерпания глюкозы клетки адаптированлись к гала ктозе, а затем продолжали расти со средним временем генерации 45 минут. Чис ленность популяции достигла стационарного состояния (3,1*10 6 кл/мл) через 6,5 ч после инокуляции. Определите продолжительность фазы адаптации между д вумя циклами роста, а также концентрацию галактозы в среде. Известно, что соотношение между стационарной популяцией микробов и концентрацией са харов линейно до концентрации 0,9 г/л (для каждого сахара), когда численност ь популяции достигает 3,7*10 6 кл/мл. Задача №5. Клетки Aerobacter aerogenes росли в начале в анаэробных условиях, затем их инок улировали в глюкозо-аммонийно-сульфатную среду, в которой они росли в ус ловиях слабого аэрирования при 37 о С. Сразу после внесения инокулянта концент рация бактерий составила 2*10 6 кл/мл. Далее проводили определение числа клет ок во времени; были получены следующие данные: Вр емя, мин 150 200 250 280 310 340 370 400 По пуляция бактерий, млн/мл 14,1 38,9 104,7 190,6 346,7 616,5 794,2 812,7 Определите графически среднее время генерац ии организма в данных условиях; имеется ли лаг-период и, если имеется, како ва его продолжительность? Задача №6. Aerobakter sp. Выращивали в условиях непрерывного процесса на небольшой опытной установке, имеющей сосуд ёмкостью 20 л. Источником углерода в аммо нийной солевой среде является глицерин (концентрация 5 г/л). Какова концен трация бактериальной суспензии при условии, что скорость поступления с реды равна 5,0; 10,0; 20,0 л/ч, и какова при этом будет величина «выхода» клеток для с истемы? В ряде экспериментов в условиях однообразной культуры было установлен о, что при достижении предельного роста на казанной выше среде можно пол учить 1,325 г сухой бактерии в 1л среды; максимальная удельная скорость роста составляет 0,85 ч -1 моль/л. Список используемой литературы 1. Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. - Л.: Химия, 1990. - Пер. изд.: Великобритания, 1987. - 384 с.: ил . ISBN 5 - 7245 - 0418 - 9 2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.: ил. - (Учеб ники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений). 3. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осм оловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр « Академия», 2004. - 272 с. 4. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Рос сийской Академии наук, 1999. - 252 с. 5. Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учеб ное пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. - Ч.2. - 96с. 6. Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполне нию курсовой работы для студентов специальности 280201 - Охрана окружающей с реды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончаро ва. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - 28 с.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
В IKEA
- Здравствуйте. Это отдел возврата?
- Здравствуйте. Да, что вы хотели вернуть?
- Я хочу вернуть вот это.
- А что это?
- А я не знаю. Пока собирал, чем только это не было: и диван, и тумба, в какой-то момент даже первый канал ловило...
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по экологии, охране природы "Биотехнология и переработка отходов производства", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru