Экологическая биотехнология и ее задачи - Клуб органического земледелия

Экологическая биотехнология и ее задачи

Раздел 11

Основы биотехнологии

План

1. Основные направления использования биотехнологических методов

2. Экологическая биотехнология и ее задачи

3. Получение экологически чистой энергии

Основные направления использования биотехнологических методов

§ Последние два десятилетия характеризуются выдающимися достижениями биотехнологии, являющейся междисциплинарной областью знаний, базирующейся на:

– микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии,

– биофизике, вирусологии, иммунологии,

– генетике, инженерных науках и электронике.

§ Развитие биотехнологии позволяет:

– существенно интенсифицировать производство,

– повышать эффективность использования природных ресурсов,

– решать экологические проблемы,

– создавать новые источники энергии.

§ Внедрение новейших биотехнологий особенно перспективно в тех случаях, когда продукт не может быть получен другими способами или может быть получен в недостаточных количествах, по более высокой цене. Исследования в этом направлении в основном сосредоточены на производстве фармакологических препаратов.

§ Большое будущее биотехнологии связано с протоинженерией — технологией изменения свойств природных белков на генетическом уровне, получения новых белков (например, новых стимуляторов роста растений, инсектицидов, активных и устойчивых ферментов, высококачественных пищевых продуктов).

§ Большие перспективы связаны свведением в растение комплекса генов, управляющих фиксацией азота.

§ Применение биотехнологии металлов перспективно для извлечения из руд платины и других драгоценных и стратегически важных металлов, для увеличения извлечения нефти из скважин, удаления серы из угля, метана из шахт.

Экологическая биотехнология и ее задачи

§ Экологическая биотехнология – это специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как:

§ Экологическая биотехнология — это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологий.

§ Круг проблем, решаемых экобиотехнологией, включает:

– разработку и совершенствование методологии комплексного химико-биологического исследования экосистем вблизи источников техногенных воздействий;

– разработку технологий и рекомендаций по рекультивации почвы, биологической очистке воды и воздуха и биосинтезу препаратов, компенсирующих вредное влияние изменения окружающей среды на людей и животных.

– применение микроорганизмов для переработки отходов жизнедеятельности человека.

§ В связи с ростом городов и развитием промышленности возникли серьезные экологические проблемы:

– накопление ядовитых веществ, в том числе канцерогенных, бытового мусора и отходов,

§ Многие из созданных человеком низкомолекулярных соединений (ядохимикаты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, т.е. требуется разработка более усовершенствованных технологий.

Дата добавления: 2015-04-20 ; просмотров: 74 | Нарушение авторских прав

Содержание

Экологическая биотехнология…………. 4

Проблемы и задачи экологической биотехнологии…………………………….5

Проблемы и задачи экологической биотехнологии…………………………….7

Преимущества и недостатки получения альтернативных источников энергии……………………………………………………………………………..8

Список используемых источников……………………………………………..10

Введение

В результате промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека возникают различные изменения состояния и свойств окружающей среды, в том числе очень неблагоприятные. С развитием и интенсификацией промышленной и сельскохозяйственной деятельности в XX веке стали ощущаться пределы естественной продуктивности биосферы — истощаются природные ресурсы, источники энергии, всё более заметен дефицит пищи, чистой воды и воздуха. Во многом все эти проблемы порождены научно-техническим прогрессом общества и должны решаться также с использованием его новейших достижений. Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создаёт малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии. Масштабы применения биологических процессов для решения природоохранных задач могут быть «ошеломляющими». Экология и биотехнология взаимодействуют как через продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.

Экологическая биотехнология

Экологическая биотехнология подразумевает использование живых организмов для переработки опасных отходов и борьбы с загрязнением окружающей среды. Например, некоторые грибки применяются для нейтрализации токсичных побочных продуктов бумажной промышленности. Другие микроорганизмы, населяющие свалки ядовитых отходов, расщепляют такие соединения, как полихлорированные бифенилы, на безвредные соединения. Биотехнологи изучают механизмы, с помощью которых населяющие устья рек микроорганизмы могли бы очищать воду от химических загрязнений. Методы экологической биотехнологии обеспечивают более эффективное по сравнению с традиционными подходами обезвреживание разнообразных токсических отходов, а также значительно снижают нашу зависимость от таких методов утилизации мусора как сжигание и создание хранилищ токсических отходов.

Биотехнология и энергия

Энергетический кризис побуждает искать новые источники энергии. Природные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.) исчерпаемы, а их использование загрязняет окружающую среду. Атомная энергетика при высокой эффективности создает проблему захоронения радиоактивных отходов. В качестве дополнительного неиссякаемого природного источника энергии может служить биомасса, переработанная биотехнологическим путем в ценное топливо (этанол, метан, Н2 ) . Энергия солнца аккумулируется в биомассе с эффективностью –2 %. Менее , чем за неделю земля получает от солнца такое количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах. В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии . Задача биотехнологов заключается в повышении эффективности получения энергии из биомассы как на этапе ее накопления в процессе фотосинтеза, так и последующих процессов получения из биомассы топлива в результате работы микроорганизмов.

Читайте также:  Чем побелить печку в доме

Заключение

Экологический кризис охватил практически всю планету. Основная его причина – результаты деятельности человека в промышленности, сельском хозяйстве и других сферах. Усиливается загрязнение окружающей среды промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными отходами, прогрессирует эрозия почвы, уменьшается биоразнообразие, происходят глобальные изменения в биосфере (озоновые дыры, глобальное потепление и др.), изменяется среда обитания организмов и человека. В связи с необходимостью разработки экологически безопасных технологий в промышленности и сельском хозяйстве важная роль отводится биотехнологии. Такое развитие основано на экологизации промышленности и сельского хозяйства, использовании возобновимых источников энергии, сохранения биоразнообразия, защите окружающей среды, решении проблемы утилизации отходов и др. Все эти проблемы невозможно решить без использования современных биотехнологических методов. В настоящее время можно говорить о развитии нового направления исследований – экологической биотехнологии, науки, использующей методы генетической и клеточной инженерии, созданные на ее основе организмы и технологии для оздоровления и защиты окружающей среды. По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разнообразной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершенные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные химические технологии. Однако для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных методах оперирования живыми системами.

Содержание

Экологическая биотехнология…………. 4

Проблемы и задачи экологической биотехнологии…………………………….5

Проблемы и задачи экологической биотехнологии…………………………….7

Преимущества и недостатки получения альтернативных источников энергии……………………………………………………………………………..8

Список используемых источников……………………………………………..10

Введение

В результате промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека возникают различные изменения состояния и свойств окружающей среды, в том числе очень неблагоприятные. С развитием и интенсификацией промышленной и сельскохозяйственной деятельности в XX веке стали ощущаться пределы естественной продуктивности биосферы — истощаются природные ресурсы, источники энергии, всё более заметен дефицит пищи, чистой воды и воздуха. Во многом все эти проблемы порождены научно-техническим прогрессом общества и должны решаться также с использованием его новейших достижений. Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создаёт малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии. Масштабы применения биологических процессов для решения природоохранных задач могут быть «ошеломляющими». Экология и биотехнология взаимодействуют как через продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.

Экологическая биотехнология

Экологическая биотехнология подразумевает использование живых организмов для переработки опасных отходов и борьбы с загрязнением окружающей среды. Например, некоторые грибки применяются для нейтрализации токсичных побочных продуктов бумажной промышленности. Другие микроорганизмы, населяющие свалки ядовитых отходов, расщепляют такие соединения, как полихлорированные бифенилы, на безвредные соединения. Биотехнологи изучают механизмы, с помощью которых населяющие устья рек микроорганизмы могли бы очищать воду от химических загрязнений. Методы экологической биотехнологии обеспечивают более эффективное по сравнению с традиционными подходами обезвреживание разнообразных токсических отходов, а также значительно снижают нашу зависимость от таких методов утилизации мусора как сжигание и создание хранилищ токсических отходов.

Проблемы и задачи экологической биотехнологии

Экологическая биотехнология — это специальное применение биологических систем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования. Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов, очистку стоков и газо-воздушных выбросов, деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воспроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых. Какие задачи сельскохозяйственного производства должна решать экологическая биотехнология?

— На основе генетической и клеточной инженерии необходимо создать высокоурожайные, болезнестойкие сорта культурных растений, что позволит исключить ядохимикаты.

— На основе достижений современной генетики и биотехнологии представляется возможным изменить потребительские свойства сельскохозяйственных продуктов с тем, чтобы отпала необходимость применять для корма животных и птицы различные добавки химического или микробного синтеза, производство которых связано с определенной экологической опасностью.

— Необходимо существенно расширить производство бактериальных удобрений биологических средств борьбы с болезнями растений и их вредителями, биологических консервантов кормов.

— Для повышения плодородия почвы необходимо применять органические удобрения, компосты и обезвреженные путем метанового брожения жидкие отходы животноводческих ферм.

— Биотехнология должна создать рациональные и безвредные для человека и среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в более ценные товарные формы. То же касается химического сырья, которое можно превращать в биологически безвредные формы.

Биотехнология и энергия

Энергетический кризис побуждает искать новые источники энергии. Природные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.) исчерпаемы, а их использование загрязняет окружающую среду. Атомная энергетика при высокой эффективности создает проблему захоронения радиоактивных отходов. В качестве дополнительного неиссякаемого природного источника энергии может служить биомасса, переработанная биотехнологическим путем в ценное топливо (этанол, метан, Н2 ) . Энергия солнца аккумулируется в биомассе с эффективностью –2 %. Менее , чем за неделю земля получает от солнца такое количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах. В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии . Задача биотехнологов заключается в повышении эффективности получения энергии из биомассы как на этапе ее накопления в процессе фотосинтеза, так и последующих процессов получения из биомассы топлива в результате работы микроорганизмов.

Читайте также:  Система канализации дачного дома

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. П. Трошкова, Е. К. Емельянова, Н. О. Карабинцева

УДК 577.2+574(075) ББК 28.081

зав. лабораторией микологии ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора д-р биол. наук, проф.

зав. кафедрой экологии НГМУ д-р биол. наук, проф.

Т76 Экологическая биотехнология : учеб. пособие / Г. П. Трошкова, Е.К.Емельянова,Н.О.Карабинцева.—Новосибирск:Сибмедиздат НГМУ,2011.—144с.

В пособии рассматриваются вопросы, посвященные очистке загрязнений и переработке отходов с помощью биологических объектов.

Для студентов вузов медицинской направленности, обучающихся по специальностям «Экология», «Биоэкология», «Биотехнология», аспирантов, а также специалистов-биотехнологов, экологов, микробиологов.

УДК 577.2+574(075) ББК 28.081

© Трошкова Г. П., Емельянова Е. К., Карабинцева Н. О., 2011

1. Понятие биодеструкции, биотрансформации и биодоступности. Микроорганизмы-деструкторы . . . . . . . . . . 10 1.1. Биодеструкция, биотрансформация и биодос-

1.2. Микроорганизмы – деструкторы . . . . . . . . . 13

2. Особенности микробиологической трансформации

отдельных классов органических ксенобиотиков . . . . . . 21 2.1. Разложение нефти и нефтепродуктов . . . . . . . . . . . 21 2.2. Биодеградация ПАВ . . . . . . . . . . . . . 30

2.3. Разложение ПАУ . . . . . . . . . . . . . 33

2.4. Биотрансформация галогенсодержащих орга-

нических соединений . . . . . . . . . . . . 35 2.5. Разложение пестицидов . . . . . . . . . . . 39

3. Особенности микробиологической трансформации

4. Биологическая очистка промышленных и природ-

ных загрязненных водных сред . . . . . . . . .

4.1. Основные технологические схемы биологи-

ческой очистки . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2. Биоценоз активного ила и биофильтров

4.3. Биоценоз активного ила и биофильтров

4.4. Экологические факторы, определяющие развитие и функционирование биоценоза активного

4.5. Биохимические процессы, происходящие при очистке воды . . . . . . . . . . . . . . . 83

5. Микробиологическая переработка твердых отходов . . . . . 90

5.1. Разложение основных природных полимеров . . . 90

5.2. Проблема создания биодеградируемых плас-

6. Экологические технологии в

сельском хозяйстве . . . . . 101

6.1. Компостирование и биодеградация отходов

6.2. Вермикомпостирование . . . . . . . . . . . 104

6.3. Биоудобрения . . . . . . . . . . . . . . 109

6.4. Стимуляторы роста растений . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Биологические средства защиты растений . . . . 118

7. Фиторемедиация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8. Биологическая очистка и дезодорация газовоздуш-

ных выбросов . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологичес-

кая биотехнология» . . . . . . . . . . . . . . 140 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Экологическая биотехнология — один из разделов биотехнологии, посвященный решению задач охраны окружающей среды и рационального природопользования с применением биологических систем и процессов. Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов, очистку стоков и газовоздушных выбросов, деструкцию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воспроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых.

Настоящее пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Экология», «Биоэкология», «Биотехнология», аспирантов, учителей школ, биотехнологов, экологов, микробиологов. В нем изложены вопросы функционирования и регуляции природных и искусственных экосистем, рассмотрены понятия биотрансформации, биодеструкции, биодоступности ксенобиотиков, особенности биотрансформации отдельных классов органических соединений, тяжелых металлов. Большое значение уделено темам очистки и ремедиации природных объектов окружающей среды методами биотехнологии, микробиологической переработке твердых отходов, очистке и дезодорации газовоздушных выбросов, компостированию и биодеградации отходов сельского хозяйства, вермикультивированию. Особое внимание уделено микроорганизмам — деструкторам нефтепродуктов, ПАВ, пестицидов, галогенсодержащих органических соединений, а также входящих в состав активного ила, био-

пленок, биообрастаний, применяемым в качестве стимуляторов роста растений, биоудобрений, биоинсектицидов.

Учебное пособие содержит авторские фотографии, сделанные в научных экспедициях с использованием микроскопического обору-

дования Carl Zeiss.

В конце работы даны вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая биотехнология» и библиографический список, представляющий основную литературу по данной теме.

Экологическая биотехнология направлена на охрану окружающей среды с использованием живых организмов, которые способны перерабатывать отходы производств, очищать природные среды от техногенных загрязнений, восстанавливать плодородие почв, заменить инсектициды и химические вещества — стимуляторы роста растений. Методы экологической биотехнологии обеспечивают более эффективное, по сравнению с традиционными, обезвреживание и утилизацию токсикантов, позволяют сохранить территории, которые могут быть занятыми полигонами и хранилищами отходов.

В экобиотехнологии применяются ставшие уже традиционными методы (биологическая очистка сточных вод, компостирование), а также сравнительно новые, используемые для очистки газовоздушных выбросов, донного ила, осадков. Биотехнологические способы очистки природных сред, в частности почв и грунта, от загрязнений, обезвреживания токсичных отходов в природных средах называются методами биоремедиации.

Уничтожение токсичных и трудноразлагаемых отходов с помощью захоронения привело к их накоплению в мировом океане, грунтах. Требуются новые эффективные методы их утилизации, при этом роль биотехнологических способов борьбы с загрязнениями в настоящее время продолжает возрастать. Биотехнология позволяет решать задачи охраны окружающей среды и предотвращать образование и накопление загрязнений.

Читайте также:  Можно ли есть просроченные шампиньоны

Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла еще 5000 лет назад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были непригодны для питья, поэтому сооружались акведуки для снабжения населения свежей водой (знаменитый римский водопровод был построен за 400 или 500 лет до н. э.), а нечистоты удаляли в море по сточ-

ным каналам. Для Европы эта проблема стала актуальной в Средние века. В крупных городах строительство канaлизационных сетей началось с середины XIX в. Способы очистки сточных вод постепенно совершенствовались. Первоначально их спускали в открытые канавы и затем подвергали механической очистке в бассейнах-отстойниках (очистных прудах). Затем стали использовать для обезвреживания сточных вод специально подготовленные поля (поля орошения). На полях орошения и очистных прудах сточные воды очищаются в условиях, близких к естественным. Эти способы применяют до сих пор для очистки промышленных и городских стоков. Биологическая очистка сточных вод с помощью микроорганизмов была предложена

в 1865 г. А. Мюллером.

В период интенсивного роста промышленности в середине прошлого века стала очевидна необходимость создания очистных сооружений на промышленных предприятиях, поскольку сточные воды, сбрасываемые без очистки в водоемы, отравляли биоту и представляли серьезную угрозу для здоровья людей. Стоки и загрязнения, попадающие в питьевую воду, были причиной различных заболеваний населения и домашнего скота. Примерно в это же время в крупных промышленных городах загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами достигло критического уровня, что стимулировало развитие методов очистки газов и контроля газовоздушных выбросов. Интенсивное ведение сельского хозяйства, сопровождающееся падением урожайности, эрозией почвы, уменьшением содержания гумуса в пахотных почвах, преобразование естественных экосистем в техно- и урбосистемы потребовало необходмости проведения биовосстановительных работ, реабилитации территорий, благоустройства ландшафтов, так как естественные процессы самоочищения были нарушены. Возникли методы рекультивации, реабилитации, мелиорации почв.

Для улучшения качества почв, повышения их плодородия начали разрабатывать процессы ремедиации (от англ. remediation — излечи-

вание, исправление, реабилитация) — удаления загрязнений и восстановление мультифункциональности природных сред способами, безопасными для экосистем и человека.

Биологические способы разложения загрязнителей с помощью микроорганизмовположенывосновуочисткисточныхводваэротенках, на биофильтрах, анаэробного сбраживания органических отхо-

дов в метантенках и реакторах других конструкций, дезодорации газов, ремедиации почв. Удаление избыточного содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, для предотвращения эвтрофикации водоемов достигается применением растений на полях фильтрации. С помощью биотехнологии отходы производства представляется возможным трансформировать в полезные продукты в процессах силосования и компостирования, обезвреживания активного ила, осадков сточных вод и водоемов, вермикультивирования (использования дождевых червей).

Одно из направлений экологической биотехнологии — борьба с микробиологической коррозией и биоповреждениями, биозащита, создание новых эффективных биоцидов. Находят широкое применение биоагенты, регулирующие численность насекомых-вредителей сельского хозяйства, PGPR*-штаммы бактерий в качестве стимуляторов роста растений, обеспечивающие защиту от патогенных микроорганизмов, азотфиксирующие микроорагнизмы в качестве биоудобрений.

Для нужд экобиотехнологии созданы рекомбинантные микроорганизмы, способные активно разлагать многие загрязнения, как природные биополимеры и их аналоги, так и ксенобиотики (нефть

и нефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), поверхностно-активные вещества (ПАВ), хлорорганические соединения, тринитротолуол и др.), которые считались ранее устойчивыми к биодеградации. Применение живых биообъектов, в отличие от физико-химических способов очистки и восстановления сред, является более приемлемым с точки зрения экологии. Это связано с тем, что такие организмы включаются в трофические цепи питания, природный круговорот веществ без образования отходов

и с помощью кометаболизма способны полностью минерализовать органические загрязнения.

*PGPR — Plant Growth Promoting Rhizobacteria.

ПОНЯТИЕ БИОДЕСТРУКЦИИ, БИОТРАНСФОР- 1 МАЦИИ, И БИОДОСТУПНОСТИ.

1.1. Биодеструкция, биотрансформация и биодоступность

Поступающие в окружающей среду ксенобиотики подвергаюся биообезвреживанию несколькими путями (рис. 1). В зависимости от конечного результата превращения тех или иных веществ различают полную деградацию (минерализацию, полную деструкцию), неполную деградацию (трансформацию, частичную минерализацию, частичную деструкцию), связывание поллютантов или их метаболитов с другим веществом — матрицей (полимеризация, конъюгация, конденсация).

Биодеструкция (биоразрушение, биодеградация) — это превра-

щение сложных веществ с помощью биологических агентов (живых организмов). Основными биологическими агентами, которые осуществляют биодеструкцию, являются микроорганизмы, имеющие огромное разнообразие ферментных систем и большую лабильность метаболизма. Именно они способны разлагать широкий спектр химически стойких соединений, тем самым возвращая основные пищевые элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли.

Полная деградация соединения микроорганизмами происходит в случае, если оно обладает свойством биодоступности (способно использоваться в качестве источника углерода и энергии или в процессах кометаболизма). Полное разрушение стойких органических ксенобиотиковвприродепроисходит,какправило,врезультатесовместногодействиясообществаорганизмовиабиотическихфакторов.Микробная минерализация является наиболее эффективным и экологи-

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector