Современные биотехнологии охраны окружающей среды

Реферат на тему:

«Современные биотехнологии  охраны окружающей среды»

План

Введение

1. Биотехнологии

2. Биотехнология переработки отходов

3. Биотехнология защиты атмосферы

4. Биотехнология охраны  земель

5. Биотехнология очистки  вод

6. Биотехнология переработки отходов растительности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время человечество стоит перед проблемой экологического кризиса, то есть такого состояния среды обитания, при котором вследствие произошедших в ней изменений она оказывается непригодной для жизни людей. Экологический кризис - это напряженное состояние взаимоотношений между человеком и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы. Загрязнением окружающей среды называется поступление или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, приводящее к отрицательным последствиям. Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов, так и в результате хозяйственной деятельности человека. Примерами антропогенных загрязнений являются аварии и катастрофы на промышленных объектах, с выбросом радиоактивных, химических и биологических веществ. Не менее значительными и опасными являются загрязнения, связанные с обычной хозяйственной деятельностью, с работой предприятий, транспорта и так далее. Загрязнения делят на следующие группы: физические, химические, физико-химические, биологические. В России за последние несколько десятилетий в условиях ускоренной индустриализации и химизации производства подчас внедрялись экологически грязные технологии. При этом недостаточно внимания уделялось условиям, в которых будет жить человек, то есть каким воздухом он будет дышать, какую воду он будет пить, чем он будет питаться, на какой земле жить.  Большие перспективы в области охраны окружающей среды и рационального природопользования имеют достижения биотехнологии. Решение экологических проблем зиждется, в основном, на фундаменте биокаталитических методов из-за их относительной дешевизны и высокой производительности, а вся подчиненная область называется природоохранной биотехнологией, являющейся в настоящее время крупнейшей областью промышленного применения биокатализа, принимая во внимание объемы перерабатываемых веществ. Философия в рамках современной природоохранной биотехнологии должна быть целостной по отношению ко всем компонентам окружающей среды, а это требует интеграции многих научных дисциплин, и, в первую очередь, детальных знаний о механизмах протекающих биокаталитических процессов, а также их эффективного инженерного оформления.

1. Биотехнологии

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнологии как направления науки и практики являются пограничной областью между биологией и техникой отраслей человеческой деятельности. Они представляют собой совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды.         Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание технологических процессов, основанных на продуктах жизнедеятельности биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являются фундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики, клеточной и генной инженерии, их сочетание.

История биотехнологии насчитывает  тысячелетия (производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т. д.). Однако ежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим  для которых является искусственное  создание условий для эволюционных, биогеохимических процессов на Земле  в виде характерных биореакторов, реализующихся с большими скоростями, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающей природной средой.

            Современные биотехнологии защиты окружающей среды, основаны на применении биопрепаратов, в состав которых входят разнообразные бактерии (микроорганизмы), способные разлагать различные органические вещества, в том числе и те, которые загрязняют окружающую среду. Микроорганизмы - это удивительные создания природы, обладающие уникальными свойствами. Они - самые многочисленные обитатели нашей планеты. Среда обитания микроорганизмов охватывает весьма широкие зоны биосферы, зачастую с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Их повсеместное распространение обусловлено небольшими размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, а также высокой устойчивостью к экстремальным факторам среды. Обладая высокой химической активностью, они способны к разложению органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения. Именно на этих уникальных свойствах микроорганизмов базируется применение биотехнологии, как эффективного способа защиты и восстановления окружающей среды. Например, достижения биотехнологии позволяют разработать и создать микробные препараты для регуляции круговорота веществ в экосистемах, что позволяет решать ряд прикладных задач: биологическая очистка природных сточных вод от органических и неорганических загрязняющих веществ; утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов путем сбраживания; микробное восстановление почв, в первую очередь, органическими веществами; использование микроорганизмов для нейтрализации тяжелых металлов в осадках сточных вод и загрязненных почвах; ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов; компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев, соломы и другие); создание биологического активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.    Поскольку многие биотехнологические процессы осуществляются в естественных условиях, это обеспечивает значительную экономию энергии и других затрат. В результате их применения образуется меньше побочных продуктов и отходов, что делает производство более эффективным и благоприятным для окружающей среды.

2. Биотехнология переработки отходов

Не отрицая важности для  окружающей природной среды большого опыта и разнообразия механических и физико-химических методов утилизации твердых бытовых отходов, реальную перспективную альтернативу представляют биотехнологические методы. Особую важность биотехнологии переработки отходов обусловливает недолговременная исчерпаемость традиционных энергоносителей: угля, нефти, газа, а также далеко не бесспорные экологические характеристики атомных электростанций.

Биотехнология переработки  твердых отходов не только позволяет  утилизировать биогаз и снизить энергетический дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую природную среду, в том числе уменьшить компоненты парникового эффекта.

Общим подходом к биотехнологии  утилизации отходов с энергетическими  целями является их анаэробная деструкция. Анаэробное сбраживание представляет собой бескислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляемый в мезофильных (1; = 30-33"С) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. Время контакта твердых отходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток в зависимости от сырья, влажности, перемешивания.

В большинстве случаев  при обработке твердая фаза имеет 3-5%-ную концентрацию веществ, до 75% из которых - органические компоненты, примерно 50% их превращаются при сбраживании в биогаз. Газ состоит на 65- 70% из метана, 25-29% - углекислоты, а остальное составляют водород, сероводород, аммиак. Средняя производительность по газу составляет 1 л на 1 кг биологически окисляемых веществ. Средняя теплота сгорания биогаза 22-24 МДж/м3. Возможные пути утилизации биогаза - использование в котельных для обогрева; получение электроэнергии посредством газогенераторных установок; сжижение и использование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.

В США, Японии, Германии насчитываются  сотни, а в Китае десятки тысяч  ферментеров для получения электроэнергии индивидуального пользования в  жилом секторе и на сельскохозяйственных фермах путем переработки собственных  и с незначительным добавлением  растительных отходов. В нашей стране получение биогаза не вышло из стадии опытно-промышленных исследований, но перспектива развития биотехнологии в этом направлении, особенно для сельских регионов, очевидна.

Несколько иной механизм биодеструкции, но также с получением биогаза наблюдается при переработке твердых бытовых отходов (ТБО) на полигонах. На первой стадии катаболизма ТБО преобладают аэробные микробные процессы в сочетании с физическими и химическими, по существу представляющие биокомпостирование. После исчерпания кислорода снижается температура ТБО, происходит развитие микроаэрофилов, факультативных анаэробов, участвующих в образовании метана. В теплый период года наблюдается интенсивное метанообразование (от 3,1 до 371 л/кг ТБО в год). Уменьшение размера частиц ТБО до 10-20 мм увеличивает газоинтенсивность метановыделения в 4 раза. Положительное воздействие оказывает на метаногенез внесение в ТБО твердой фазы сточных вод станции аэрации особенно после анаэробной биодеструкции в качестве посевного биоматериала (инокулянта). В основе биогаза от ТБО практикой идентифицировано до 46 компонентов, доминантным из которых является метан (50-60%).

Биогаз, образующийся на свалках, может быть извлечен при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. После удаления конденсата и пыли его теплота сгорания составляет 17-20'МДж/м:!, а при дальнейшей очистке может достичь 34-37 МДж/м3.

3. Биотехнология защиты атмосферы

Приведу в пример две биотехнологии  очистки воздуха. Первая установка (БФС) предназначена для биологической  очистки и дезодорирования промышленных газовоздушных выбросов, содержащих органические компоненты различной природы. Технология очистки газовоздушных выбросов основана на разложении микроорганизмами вредных органических веществ, содержащихся в газовоздушной смеси и являющихся источником энергии для биомассы. Органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду. Подбор консорциумов микроорганизмов осуществляется в зависимости от состава очищаемых смесей. Суммарная концентрация углеводородов в очищаемых газах должна находиться в пределах от 400 до 7000 мг/м³. При запыленности очищаемых вентиляционных выбросов более 5 мг/м³необходима установка предочистки от пыли. Области применения: химическое, лакокрасочное, резинотехническое, мебельное, табачное, деревообрабатывающее, пищевое и другие производства. Во втором случае эффективные микробные штаммы и разработанная биотехнология позволяют с низкими энергозатратами очищать на одной установке 10-20 тыс. кубометров в час выбросов с такими вредными примесями, как бензол, толуол, ацетон, формальдегид, уайт-спирт, фенол, бензин и др. Особенность технологии WWF в том, что - используется генетически модифицированное и адаптированное растение, которое размножается естественным путем. Одно растение за 50 суток способно образовывать более 400 вегетативных отростков. При очистке стоков, это растение окисляет и расщепляет промышленные и органические нечистоты, примеси вод на простые безобидные элементы с большой скоростью и усваивает их как питание. Очищая стоки от вредных примесей, растение в себе их не накапливает, а "съедает". Чем грязнее водоем, тем быстрее растет WWF и размножается. Если вода очистилась и питаться нечем, WWF начинает перерабатывать доступный придонный ил. А если и его нет, то прекращает вегетацию. Преимущества данного метода: полное устранение ядовитых запахов отстойников в летнее время при перекрытии растением больше половины площади отстойников, очистка забитых минерализованым осадком отстойников, каналов, очищенные от ингредиентов стоки могут быть использованы как оборотные для хозяйственных целей (полива и т.д.), погибают все болезнетворные бактерии контролируемые СЭС, возможность очистки водоемов и земли от высокотоксичных компонентов ракетного топлива, возможность получить на бросовых (чистых) территориях значительный урожай высокобелковой витаминной кормовой массы до 500 тонн с гектара за сезон. Патогенные микроорганизмы гнилостного ряда в воде уничтожаются полностью, подавляется стафилококк. Коли-индекс и общее микробное число приводятся к значениям, соответствующим гигиеническим требованиям санитарных правил и норм охраны поверхностных вод от загрязнения предъявляемых к составу и свойствам воды водных объектов культурно-бытового водопользования. Степень доочистки сточных вод после биопрудов с WWF соответствуют требованиям к качеству воды, выпускаемой в естественные водоемы или подаваемой в систему оборотного водоснабжения хозяйства, для различных технических целей, и санитарно-техническим показателям. При помощи WWF "мерзкая" выгребная яма превращается в чистейший источник буквально через несколько месяцев. Запустив растение в загаженные озера промышленных предприятий, животноводческих комплексов, свиноферм, птицефабрик и можно избавить окрестности от зловония, ядовитых испарений, очистить стоки.

4. Биотехнология охраны земель

Загрязненность почв неорганическими  ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных  минеральных добавок снижают  урожайность и качество сельскохозяйственных культур, а также приводят к эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву весьма затратны. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются  безграничные возобновляемые ресурсы  удобрений, содержащие необходимые  питательные элементы для сельхозкультур, и близкие, а иногда и превышающие по качеству органические удобрения (например, осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствуют бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и организационно) в целом разрешимо, то второе требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в  РФ и за рубежом проводится большая  работа по селекции и получению методами генетической инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву  вместе с осадками продуцировать  полимеры, переводящие тяжелые металлы  в неподвижные формы, и осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие  насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения  биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения  такого типа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой  ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а  также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название "микробное восстановление загрязненной нефтью почвы".

Не менее перспективным  и эффективным является бактериальный  препарат "Путидойл", промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Рзеийотоп аз. Параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с нефтью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойства почв.

5. Биотехнология очистки вод

Биологическая очистка природных  и сточных вод в настоящее  время достаточно изученный и  широко применяемый метод, значение и роль которого со временем будут  только возрастать в связи с требованиями экологичности и экономичности современных видов производств.

Однако такой способ в  его настоящем применении позволяет  разрушить только относительно простые  органические и аммонийные соединения, так называемые "биологические  мягкие". Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к "биологическим жестким" органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений - текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводит к необратимым из-за кумуляции изменениям в генофонде.

Среди ксенобиотиков большое распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если не применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков. Это обстоятельство ставит проблему предварительной очистки природных вод от ксенобиотиков, которая может быть решена путем экологизации или прекращения выпуска соответствующих препаратов, или способами биотехнологии.

Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствующих  нормативам ВОЗ, современными приемами биотехнологии являются:

* селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;

* совершенствование иммобилизационных комплексов;

* ферментативный катализ;

* физико-химические воздействия;

* генно-инжиниринговые комбинации.

Селекция и конструирование  искусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделении  активных культур, штаммов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма) с последующим внесением их в качестве посевного материала в биореакторах. Иммобилизация - это процесс, при котором клетки (ферменты) прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от показателей среды обитания. При этом достигаются следующие положительные эффекты:

* сохранение практически постоянной биомассы в биореакторе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидкости;

* создание пространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулированием процесса;

* рост производительности, что уменьшает объем биореакторов;

* повышение устойчивости системы к неравномерности поступления сточных вод;

* регулирование процесса по составу носителей.

Ферментативный катализ  заключается в воспроизводстве  определенного вида ферментов или  их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведения процесса в биореакторах. При этом скорость возрастает на 2-3 порядка, что позволяет уменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относится интенсификация процесса биодеструкции загрязнения путем мутации штаммов за счет физических воздействий (ультразвук, ультрафиолетовые излучения, радиационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облучение, омагничивание) или химических воздействий (нитрозоамины, сильные окислители и пр.). Мутация штаммов повышает эффект очистки сточных вод на 50-70%. Однако требуется периодическая обработка биомассы, так как мутированные признаки со временем снижаются.

Более эффективным и перспективным  методом очистки вод с заданными  деструктивными свойствами является генно-инжиниринговый. Он заключается в использовании методов рекомбинантной ДНК: соединений определенных катаболических последовательностей специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штаммов позволяет получить эффективные культуры, которые после помещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.

5. Биотехнология переработки отходов растительности

Отходы растительности - это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитарно-гигиеническим соображениям клетчаткосодержащие остатки: листья; ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты; очистки картофеля; образующиеся в больших количествах в стеблях зерновых.

Локально, в небольших  объемах эти отходы утилизируют, например, ботва свеклы и рубленая солома идут на корм скоту. Солома после  химической обработки служит сырьем для производства дрожжей, из которых  получают белковые корма. В сельском хозяйстве солому частично используют как подстилку скоту. Однако в  больших количествах отходы растительности сжигают или вывозят на свалку, загрязняя тем самым ОПС.

Наиболее рациональный и  сравнительно дешевый способ переработки  отходов растительности - это компостирование.

Компостирование позволяет  получить ценный продукт для внесения в почву в качестве удобрения. Одновременно компостирование является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы более безвредными для ОПС. Гуммифицированные продукты после внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней.

Помимо остатков растительности компостировать можно городской  мусор, сырой осадок и активный ил станций аэрации, измельченные автомобильные  покрышки и др.

Важными параметрами процесса компостирования являются: соотношение  углерода, азота и фосфора, влажность, дисперсность, рН, аэрация, размер бурта.

Исходное сырье для  компостирования необходимо освободить от металла, стекла, пластмассы. Дисперсность частиц для компостирования не должна препятствовать аэрации и отводу углекислоты. Соотношение углерода к азоту в оптимальных условиях составляет 25:1-30:1, а фосфора - около 1:2. В качестве добавок, увеличивающих скорость процесса компостирования, применяют активный ил, компост, древесную щепу, опилки, солому. Оптимальная влажность 50-60%, температура 55°С. Парциальная составляющая газовой среды должна быть не менее 30%. Аэрация снабжает микроорганизмы кислородом, отводит воду, теплоту, углекислоту. Перемешивание предотвращает образование анаэробных зон, слеживаемость и рекомендуется проводить не реже 3-4 раз за весь процесс. Время компостирования 4-20 суток в автоматизированных установках (вращающихся) и до 3 месяцев - в стационарных (буртах). При компостировании высота бурта не должна превышать 1,5 м, ширина бурта - 2,5 м, длина не ограничена.

Состав готового компоста зависит от исходного сырья и  усредненно содержит следующие компоненты: органическое вещество - 75-80%; углерод - 8-50; азот - 0,4- 3,5; фосфор - 0,1-1,6; калий - 0,4-1,6; кальций (в виде СаО) - 0,7-1,5%. Важным результатом является практически полная непатогенность компоста, внесение которого рекомендуется, в зависимости от климатических условий осуществлять 1 раз в 3-4 года из расчета 8-15 т/га.

Заключение

Численность населения земного шара неуклонно  растет, что неумолимо идет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов. На первый план в научно-техническом прогрессе выходит биологическая наука. Она развивается стремительно, и в развитых странах многие ее достижения уже нашли свое применение в биологических технологиях. На современном этапе с помощью биотехнологий можно решить экологические проблемы, стоящие перед человеческим обществом в целом.Биотехнология - высокотехнологична. Сегодня для развития отечественного биотехнологического производства сложились следующие условия: научные кадры, большое количество перспективных разработок, производственный потенциал, растущий спрос на внутреннем рынке. Цивилизация переходит в новую эру - эру биотехнологий.

От современной  биотехнологии зависит восстановление "испорченной" среды обитания, в частности при решении следует прикладных вопросов:

а) утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

б) биологическая очистка природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

в) микробное восстановление загрязненных почв, получение микроорганизмов, способных нейтрализовывать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

г) компостирование (биологическое окислении) от растительности (опад листьев, соломы и др.);

д) создание биологически активного сорбирующе материала для очистки загрязненного воздуха.

На транспорте необходимо внедрение экологически чистых видов топлива (газа, неэтилированных бен), устройство каталитического дожигания и сплав вредных веществ, широкое внедрение электрики.

В холодильной технике  и технике кондиционирования переходит от хладагентов на базе хлорсодержащих углеводородов (фреонов), разрушающих озоновый слой, к озонобезопасным смесям, состоящим только из фторуглеводородов.

В машиностроении разрабатываются системы водоочистки для гальванических производств, переходящие к замкнутым системам рециркуляции воды и извлечения металлов из сточных вод, в области обработки металлов шире используется получение деталей из пресс-порошков.

В целлюлозно-бумажной промышленности внедряются процессы с низким расходом свежей воды на единицу продукции, применяя замкнутые и бессточные системы промышленного водоснабжения; максимально использующие экстрагирующие соединения, содержащиеся в древесном сырье, для получения целевых продуктов, совершенствуются процессы отбеливания целлюлозы с помощью кислорода и озона; улучшают переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами в целевые продукты; создаются про мощности по переработке бумажных отходов, в том числе макулатуры.

Список использованной литературы

1. Арустамова Э.А. Природопользование. М., 2002.

2. Э.А. Арустамов, И.В. Левакова, Н.В. Баркалова "Экологические ос-новы природопользования"

3. Зенова Г.Н., Штина Э.А. Почвенные водоросли. М., МГУ, 1991, 96 с.

4. Кабиров Р.Р. Роль почвенных водорослей в поддержании устойчивости наземных экосистем // Альгология, 1991.Т.1.

5. Рыжов И.Н., Ягодин Г.А.  Школьный мониторинг городской  среды. М., "Галактика", 2005 , 192 с.