Учебно-методический комплекс дисциплины «Экологические биотехнологии» для специальности 5в060800 — «Экология» Учебно-методические материалы (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня	УМКД	УМКД 042-18-25.1.95/ 03-2014
УМКД Учебно-методические материалы по  дисциплине «Экологические биотехнологии»	Редакция № 1 от 01.01.2001 г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

«ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ»

для специальности 5В060800 – «Экология»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Семей

2014

Содержание

1	Лекции
2	Практические занятия
3	Самостоятельная работа студента

1 Конспект лекций

Лекция Экологическая биотехнология как новое научно-техническое направление

План

Общее представление об экобиотехнологии Отрасли использования методов биотехнологии Развитие представлений о роли биотехнологии в решении задач охраны окружающей среды

1. Экобиотехнология – сравнительно новое направление науки и прикладной биотехнологии – представляет собой область междисциплинарных знаний биологии, химии и геохимии, экологии, почвоведения, гидробиологии, микробиологии, биохимии и физиологии, популяционной генетики,  инженерно-технологических дисциплин.

Биотехнология как направление науки и практики является пограничной областью между биологией и техникой отраслей человеческой деятельности. Она представляет собой совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. История биотехнологии насчитывает тысячелетия (производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т. д.).

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.

Экологическая биотехнология – научно-техническое направление, включающее применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды (обработка сточных вод, переработка твердых отходов, борьба с загрязнениями окружающей среды и др.).

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.

Экологическая биотехнология разрабатывает биологические системы деградации и обезвреживания вредных химических веществ, загрязняющих почву, водоемы, атмосферу. Например, уже получены штаммы микроорганизмов, утилизирующих нефть и нефтепродукты на водных поверхностях, фенол – в сточных водах и т. д.

Учитывая важность биотехнологии на современном этапе существования человечества, в ее развитие вкладываются огромные средства.

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.

Использование биотехнологии для решения экологических проблем не является новой идеей. Уже более ста лет смешанные бактериальные популяции используются для очистки сточных вод. Все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) для поддержания жизни поглощают и переваривают питательные вещества и выделяют в окружающую среду образующиеся при этом продукты жизнедеятельности. Разным организмам для поддержания жизни необходимы разные питательные вещества. Некоторые бактерии с удовольствием поглощают химические соединения, содержащиеся в отходах, другие – питаются токсическими химикатами, такими как метиленхлорид, детергенты и креозот.

Специалисты в области охраны окружающей среды пользуются двумя методами биоремедиации (биовосстановления) загрязненных органическими отходами земель: вносят в зараженную почву специализированные штаммы бактерий либо питательные вещества, стимулирующие активность уже присутствующих там микроорганизмов. Бактерии поглощают токсины и разлагают их до безвредных продуктов жизнедеятельности. После того, как весь запас токсических соединений переработан, численность популяции бактерий-очистителей возвращается к нормальному уровню, либо они умирают.

Цель экобиотехнологии – защита природных экосистем отантропогенных и техногенных воздействий; основные способы –биовосстановление, биопереработка и биодеградация.

Научной основой экобиотехнологии являются закономерности и  процессы, протекающие в экосистемах, реакции экосистем на внешние  воздействия. Их знание и целенаправленное регулирование позволяют  разрабатывать биометоды и биотехнологии обеспечения защиты природных систем от антропогенных и техногенных воздействий или их восстановления.

Одно из важнейших направлений экобиотехнологии – решение задач  охраны окружающей среды с использованием живых организмов и систем для переработки отходов, очистки природных сред от техногенных  загрязнений, обезвреживания загрязненных техногенных потоков, восстановления плодородия земель, выведенных из хозяйственного пользования в  результате деятельности человека, замены химических препаратов  сельскохозяйственного назначения экологически чистыми биологическими, получения и модификации «экологически дружественных» полимеров, ПАВ и других материалов и соединений с полезными свойствами, а также  предотвращение биокоррозии, биоповреждений и биообрастаний.

Экобиотехнология связана с использованием таких традиционных процессов, как биологическая очистка сточных вод, переработка органических отходов (приготовление компостов и др.), а также сравнительно новых, применяемых для очистки газовоздушных выбросов, загрязненных почв, водоемов, донного ила, осадков. Биотехнологические способы очистки природных сред, в частности почв и грунта от загрязнений, обезвреживания токсичных отходов в природных средах, называются методами биоремедиации.

2. Отрасли использования методов биотехнологии

– химическая промышленность: использование биокатализаторов для синтеза новых соединений, уменьшения количества побочных продуктов и повышения степени очистки продукции;

– производство пластмасс: снижение количества используемой для производства пластмассы нефти за счет перехода на экологически чистую пластмассу, изготавливаемую из сельскохозяйственного сырья: кукурузы или сои;

– бумажная промышленность: повышение эффективности производственного процесса, в том числе за счет ферментов, снижающих количество токсичных побочных продуктов;

– текстильная промышленность: снижение образования токсичных побочных продуктов. Повышение качества фабричных детергентов за счет добавления ферментов;

– пищевая промышленность: улучшение процессов хлебопечения, использование получаемых с помощью ферментации консервантов и методов анализа безопасности продуктов питания;

– промышленное животноводство: использование ферментов для повышения усвояемости питательных веществ и снижения выделения соединений фосфора в окружающую среду;

– энергетическая промышленность: использование ферментов для создания экологически чистого топлива из сельскохозяйственных отходов.

Некоторые промышленные приложения биотехнологии по отраслям
– биологические топливные элементы;
– химические продукты тонкого органического синтеза и массового производства;
– синтез хиральных соединений (молекулы которых несовместимы со своим зеркальным отражением);
– синтетическое волокно для производства тканей;
– фармакологические препараты;
– пищевые ароматизаторы;
– биопластмассы;
– биоэтанол, биодизель, биоводород для транспортных средств;
– пищевые жиры;
– очистка масел и газов от сероводорода;
– обезжиривание кожи;
– биополимеры для изготовления упаковки;
– очистка вод угольных пластов от метана;
– обеззараживание химического и биологического оружия;
– отбеливание целлюлозы и бумаги;
– биопульпирование (размягчение древесины с помощью лигнин-разрушающих грибов) для производства бумаги;
– обработка текстиля;
– ферментативная обработка продуктов питания;
– выщелачивание отвалов металлических руд;
– гальванопокрытие/очистка металлов;
– вискоза и другие синтетические волокна;
– очистка металлов от примесей;
– производство витаминов;
– производство подсластителей (кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы);
– обработка дорожного покрытия с целью меньшего накопления пыли;
– обезвоживание текстиля;
– рафинирование растительных масел.

3. В ряде документов, принятых на международных конференциях в 80-90-е гг. XX в., особо подчеркнута роль биотехнологии в решении задач охраны окружающей среды и предотвращения образования и накопления загрязнений. Так, на конференции в Рио-де-Жанейро в 1992 г. было  отмечено значение биотехнологии в решении проблем охраны окружающей

среды и рационального природопользования, для повышения качества  пищевых продуктов, кормов и пополнения запасов сырья, улучшения  здоровья человека.