Учебно-методический комплекс дисциплины «Экологические биотехнологии» для специальности 5в060800 — «Экология» Учебно-методические материалы (стр. 2 )

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 сточным каналам. Для Европы эта проблема стала актуальной в средние века.

К 70-м гг. XIX в. в промышленно развитых городах многие водоемы

представляли серьезную угрозу для здоровья людей. Стоки и загрязнения, попадающие в питьевую воду, были причиной различных заболеваний  населения и домашнего скота. В городах с середины XIX в. началось  строительство канализационных сетей.

Рост численности населения, развитие городов сопровождались  изменением природных условий и формированием специфических городских

ландшафтов. Уже к концу XVIII в. - началу XIX в. стали проявляться  негативные последствия экстенсивного ведения хозяйства - падение  урожайности, эрозия почвы, уменьшение содержания гумуса в пахотных почвах.

Для поддержания плодородия почв требовалось регулярное внесение

органических удобрений. В XVIII-XIX вв. начались исследования способов

повышения плодородия почв. Так, профессор земледелия 1750-1792) придавал большое значение для питания растений  органическому веществу почвы, опередив немецкого ученого А. Тэера 1752-1828), разработавшего гумусовую теорию питания растений. Отечественный  агроном A794-1840) считал, что почвы следует удобрять для улучшения их физических свойств, устранения кислотности, ускорения разрушения органических веществ, повышения плодородия.

По мере развития земледелия и отчуждения земель в результате роста городского строительства все более интенсивным становилось  использование почв, нарушались естественные процессы самоочищения и менялись роль и функции почв. В Европе уже к началу XX в. девственные леса и почвы были в основном «окультурены».

Извлечение полезных руд и минералов, сведение лесов, распашка  полей, строительство дамб и каналов потребовало разработки методов  восстановления почв и особенно их поверхностного слоя (методы  рекультивации, реабилитации, мелиорации). Особенно обострились эти проблемы в связи с резким увеличением количества загрязнений, поступающих в  окружающую среду, прежде всего вследствие производственных выбросов и отходов. С расширением потребления органического топлива, развития  железнодорожного и автомобильного транспорта, увеличения масштабов промышленного производства увеличились объемы вредных выбросов,  выделяемых в атмосферу: газов (оксидов серы и азота, монооксида углерода) и твердых частиц (сажи, пыли). К середине XX в. в крупных  промышленных городах загрязнение атмосферного воздуха этими вредными  веществами достигло критического уровня, что стимулировало развитие методов очистки газов и контроля газовоздушных выбросов.

На рубеже XIX-XX вв. начали уделять большое внимание развитию  городского коммунального хозяйства и очистке сточных вод. 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.

В 1865 г. А. Мюллер предложил биологическую очистку сточных вод с использованием микроорганизмов. Примерно в это же время для очистки воды от органических веществ стали применять капельный фильтр (перко - ляционный слой). В 1914 г. была предложена система аэробной  биологической очистки с использованием активного ила и принудительной аэрации, в результате чего заметно повысилась эффективность очистки сточных вод - время, необходимое для окисления сточных вод, сокращалось от  нескольких недель до нескольких часов.

В начале XX в. стали применять в промышленных масштабах  анаэробное сбраживание сточных вод, осадков и твердых отходов, а также  компостирование органических осадков и твердых отходов. Дешевый компост применяли также в промышленных системах для устранения запахов из воздуха и отработавших газов.

В 70-е годы XX в. локальные проблемы, связанные с ухудшением  качества окружающей среды, превратились в глобальные (деградация  озонового слоя, изменение климата, загрязнение биосферы радионуклидами и  токсичными химическими соединениями).

В последние десятилетия XX в. в промышленно развитых странах серьезной стала проблема загрязнения почв и донных осадков. В связи с этим для улучшения качества почв, повышения их плодородия начали  разрабатывать процессы ремедиации (от англ. remediation - излечивание, исправление, реабилитация) - удаления загрязнений и восстановление мульти - функциональности природных сред способами, безопасными для экосистем и человека.

В настоящее время в сфере охраны окружающей среды биотехнология занимает наиболее важное место в процессах очистки сточных вод,  газовоздушных выбросов, загрязненных почв и водоемов, к которым относятся биологическая очистка сточных вод в аэротенках, на биофильтрах,  анаэробное сбраживание органических отходов в метантенках и реакторах других конструкций, биологическая дезодорация газов, биологическая ремедиация почв. Биологические способы очистки загрязненных сред  занимают приоритетное место в природоохранных программах ведущих  экономически развитых стран. Разработаны высокопроизводительные методы очистки и биореакторы, эффективные и селективные способы разделения и удаления загрязненных компонентов.

Одно из основных направлений применения экобиотехнологии - охрана водных ресурсов: внедрение более эффективных экологически чистых  процессов производства; переход на замкнутые циклы промышленного  водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Большое внимание уделяется водоочистке и водоподготовке для обеспечения качества питьевой воды. Биологические способы эффективны для глубокой очистки воды, удаления избыточного содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, для предотвращения эвтрофикации водоемов.

Для переработки и утилизации твердых, жидких, газообразных отходов применяют способы их микробиологической трансформации в полезные продукты: силосование и компостирование, обезвреживание активного ила, осадков сточных вод и водоемов, вермикультивирование (использование дождевых червей).

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.

На основе иммобилизованных ферментов и микробных клеток  разрабатываются биокатализаторы для очистки и дезодорации отработанных  газовоздушных потоков в результате деструкции вредных и дурнопахнущих веществ (спиртов, меркаптанов, альдегидов, кетонов, органических кислот и др.), проводятся работы по созданию биореакторов для очистки воздуха.

Проблема очистки от загрязнений атмосферного воздуха важна как в связи с изменением его химического состава, так и климата Земли. Немалую долю в общем балансе газов в атмосфере составляют метан, образующийся на мусорных свалках, оксиды серы и азота, выделяемые при сжигании  топлива с повышенным содержанием серо - и азотсодержащих соединений. Для уменьшения их поступления в атмосферу могут быть использованы  биотехнологические способы.

Биотехнологию все более активно используют для рекультивации,  диверсификации почв, реабилитации территорий, благоустройства  ландшафтов, защиты от коррозии строительных конструкций и инженерных 

сооружений, озеленения территорий, защиты от эрозии почв, береговых линий, борьбы с почвенным засолением и закислением, сохранения и  восстановления малых рек и т. п.

За рубежом (Австрия, США, Франция, ФРГ и другие развитые страны)

популярно биологическое ведение сельского хозяйства, суть которого  сводится к тому, чтобы «кормить почву, а не растения». Цель этой технологии -  максимально снизить негативные последствия истощения и деградации земель.

Большое внимание уделяется биомониторингу и биотестированию:  использованию тест-систем для контроля очистки сточных вод, контроля  загрязнения воздуха, почвы, использованию биосенсоров и иммунодиагно -

стикумов и др. Разработаны биологические тест-системы, позволяющие быстро и селективно определять качество и количество загрязнений в  природных средах, вплоть до следовых количеств.

Еще одна сфера применения экобиотехнологии - борьба с  микробиологической коррозией и биоиовреждениями, биозащита, а также создание  новых эффективных биоцидов.

Для решения экологических проблем способами биотехнологии  используют главным образом эволюционно сложившиеся функции микроорганизмов: их роль в биогеохимическом круговороте веществ в природе, в процессах самоочищения экосистем, деградации техногенных загрязнений, в образовании почвенного гумуса, минерализации ежегодно образующейся массы органических веществ, природных биополимеров и др. Участие микроорганизмов в минерализации органических соединений обусловлено их повсеместным присутствием в окружающей среде и высоким потенциалом катаболизировать органические соединения, попавшие в биосферу. 

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что большинство природных и искусственных материалов подвергается биологической трансформации. Однако для протекания биотрансформации с заметной скоростью  необходимы оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. В настоящее время селекционированы микроорганизмы, способные  активно разлагать многие загрязнения, как природные биополимеры и их аналоги, так и ксенобиотики (нефть и нефтепродукты, полимеры, хлорор - ганические соединения, тринитротолуол и др.), которые считались ранее устойчивыми к биодеградации.