ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе. Она тесно связана с наукой о биосфере Земли. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов, которые проникают во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Человек тоже является частью биосферы и его деятельность распространяется на неживую и живую природу планеты и космос.

Еще в древности, освоение человеком определенных технологий позволило ему занять особенное место среди всех живых существ на Земле. Однако быстрый рост народонаселения, истощение природных резурсов и накопление вредных продуктов хозяйственной деятельности людей привели к тому, что во многих регионах нашей планенты ситуация для ее обитателей стала критической. Загрязнение биосферы обусловлено поступлением в окружающую среду побочных продуктов от промышленных и сельскохозяйственных производств, очистных сооружений, транспортных средств, полигонов депонирования отходов. К сожалению, возможности природы в поддержании нормального человеческого существования ограничены. Запасы горючих ископаемых постепенно подходят к концу, площади посевных земель из-за эрозии почв уменьшаются. Способность рек, морей и океанов перерабатывать наши отходы, уже практически использована до предела, возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере происходит постоянно с такой скоростью, что этому уже не способны противостоять ни какие природные процессы. Ситуация усугубляется также тем, что в окружающую среду поступают канцерогенные синтетические вещества, десятки и сотни лет не деградирующиеся в природе. Происходит их аккумулирование в небиологических и биологических объектах. В ХХ веке деятельность человека на Земле затронула и изменила практически все природные среды обитания. Локальные проблемы, связанные с ухудшением качества окружающей среды переросли в глобальные. Это нарушение озонового слоя, изменение климата, загрязнение биосферы радионуклидами и токсичными химическими соединениями, уменьшение биологического разнообразия фауны и флоры.

Интенсификация сельского хозяйства и технический прогресс в промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к нарушению сложившихся экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека. Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выбросами, а водоемы – различными стоками, которые содержат большое количество вредных, иногда сильно ядовитых веществ. Химизация сельсохозяйственного производства, также приводит к загрязнению почвы, водоемов, воздуха и пищевых продуктов. Чтобы сохранить окружающую среду, ученые изучают фундаментальные вопросы природных экосистем, основные закономерности их формирования и функционирования, а также антропогенные химические и биологические загрязнения, путях их миграции в окружающей среде, абиотической и биотической трансформации.

Экологическая биотехнология – сравнительно новое направление науки, представляет собой область междисциплинарных знаний биологии, химии и геохимии, экологии, почвоведения, гидробиологии, микробиологии, биохимии и физиологии, популяционной генетики и инженерно-технологических дисциплин. Одной из важнейших направлений экологической биотехнологии – это решение задач охраны окружающей среды с использованием живых организмов и ситем для переработки отходов, очитки природных сред от техногенных загрязнений, обезвреживание загрязненых газовоздушных потоков, восстановления плодородия земель, выведенных из хозяйственного пользования, замены химических препратов сельскохозяйственного назначения на экологически чистые биологические препараты.

В решении экологических проблем все большее значение приобретают современные биотехнологии. В настоящее время сформировалось новое направление – экологическая биотехнология, которая способствует решению вопросов охраны окружающей среды. Применение биотехнологических методов в экологии имеет ряд существенных преимуществ: это создание безотходных производств; высокие каталитические возможности микроорганизмов; осуществление многих процессов в нормальных природных условиях; отсутствие вторичного загрязнения окружающей среды. Биотехнологические процессы в отличие от химических реакций протекают в мягких условиях, при нормальном давлении и рН среды, а также при физиологических температурах, они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами.

Экологическая биотехнология связана с использованием таких традиционных процессов, как биологическая очистка сточных вод, переработка органических отходов в растениеводстве,  животноводстве и пищевой промышленности, очистка и дезодорация газовоздушных выбросов, а также очистка загрязненных почв и водоемов.

В настоящее время в сфере охраны окружающей среды экологическая биотехнология занимает наиболее важное место в процессе биологической очистки сточных вод, в которую входят: аэробная и анаэробная очистка; удаление биогенных элементов, обезвоживание осадков очистных сооружений. Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать различные загрязнения в качестве источника питания, а также их минерализации  в процессе своей жизнедеятельности. Одно из основных направлений применения экологической биотехнологии – охрана водных ресурсов: внедрение более эффективных экологически чистых процессов производства; переход на замкнутые циклы промышленного водоснабжения. В области водоочистки и водоподготовки пристальное внимание уделяется проблемам обеспечения качества питьевой воды. Биологические методы эффективны для глубокой очистки воды, удаления избыточного содержания биогенных элементов, такие как азот и фосфор, для предотвращения эвтрофикации водоемов.

По оценкам ученых, в биосферу ежегодно поступает около 20-30 млрд тонн твердых отходов, из них 50-60% органических отходов. Отходы делят на две группы. Первую группу составляют отходы, вредное действие которых на окружающую среду нейтрализуют ликвидационными действиями: разложением, складированием, захоронениями и другими. Во вторую группу входят отходы, которые как вторичные материальные ресурсы утилизируют. Экобиотехнологическими методами перерабатываются отходы обеих групп, и в первую очередь природные органические вещества, которые служат сырьем для получения различных продуктов микробиологического синтеза. В переработку органических отходов входит: микробиологическая переработка и конверсия; преработка в кормовой продукт некоторых отходов; биодеструкция растительных полимеров и материалов; биодеградация синтетических полимерных материалов; вермикультивирование и вермикомпостирование.

Использование в технике и быту легко разлагаемых пластмасс, способных после определенного срока службы, быстро деградироваться в природных условиях – один из путей уменьшения антропогенного воздействвия на окружающую среду. В настоящее время ученые ведут научные разработки синтеза легко разлагаемых пластмасс. Такие пластмассы, как правило, относятся к фоторазрушающимся и биоразрушающимся органическим соединениям, которые разрушаются в природных условиях под действием света, тепла, воздуха и микроорганизмов.

Биологические методы дезодорации и очистки газовоздушных выбросов основаны на сорбции загрязняющих веществ из газового потока с последующей деструкцией сорбированных веществ микроорганизмами. Для переработки и утилизации газообразных отходов применяют способы микробиологичекой трансформации. На основе иммобилизованных ферментов и микробных клеток разрабатываются биокатолизаторы для очистки и дезодорации отработанных газовоздушных потоков, а также деструкции вредных веществ.

Биотехнологию все более активно используют для рекультивации, диверсификации почв, реабилитации территорй, благоустройства ландшафтов, озеленения территории, защиты от эрозии почв, для укреплений береговых линий, для борьбы с почвенным засолением и закислением. Комплекс мероприятий от загрязнений, направленных на очистку и восстановление природных сред, в частности почв, грунтов, донных осадков, называется ремедиацией. Направление исследований и разработок, связанных с использованием биотехнологий для очистки этих природных сред, получило название биоремедиации.

Большое внимание уделяется биомониторингу и биотестированию: это использование тест систем для контроля очистки сточных вод; контроля загрязнения воздуха и почвы; использование биосенсоров. Разработаны биологические тест-системы, позволяющие быстро и селективно определять качество и количество загрязнений в природных средах. Еще одна сфера применения экологической биотехнологии – это борьба с микробиологической коррозией и биоповреждениями, биологическая защита сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей.

Экологическая биотехнология имеет практический выход на реализацию передовых технологий и составляет научную основу биотехнологических методов, используемых для охраны окружающей среды. Это в первую очередь, особенности организации и функционирования природных систем; водных и почвенных природных сред; абиотических и биотических процессов протекающих в различных природных средах, при миграции и трансформации загрязнений, а так же основных факторов, влияющих на эти процессы; ключевые научные задачи, связанные с реализацией экологической программы. Здесь рассматриваются следующие вопросы, включающие инженерно-технологические аспекты использования экологической биотехнологии и методов, принципы работы, конструкции промышленных сооружений, аппаратов, приборов, объектов биологической очистки, специфика различных микроорганизмов и их сообществ, предназначенных для биологической очистки водных и почвенных сред, воздуха, природных водоемов, переработки различных органических отходов, эколого-экономические основы природоохранной деятельности человека. Особое внимание уделяется методам и технологиям, предназначенных для удаления таких загрязнений как нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы, а также биодеградация и биокоррозия различных материалов, предотвращение коррозии, биоповреждений, биоиндикации и биомониторинга, о которых более подробно в следующих статьях.

.

Юсуп Мамедов,

кандидат биологических наук.

Комментарии

Нет комментариев