УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009 Редакция № 2 от 26.09.2008

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
Документ СМК 3
уровня
УМКД
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
УМКД
рабочая учебная
программа
дисциплины
Редакция №
2 от
26.09.2008
«Экологическая
биотехнология»
Учебно-методические
материалы
УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ
КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Экологическая биотехнология»
для специальности «050701» - «Биотехнология»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей 2009
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 2 из 68
Содержание
1 Глоссарий
2 Лекции
3 Практические занятия
4 Самостоятельная работа студентов
1 ГЛОССАРИЙ
В настоящем УММ использованы следующие термины с
соответствующими определениями:
Аэротенки – это проточные реакторы непрерывного действия,
представляющие собой системы с полным перемешиванием на макроуровне,
работающие в стационарных условиях.
Анаэробный биофильтр – простой фильтр с восходящим потоком
жидкости для очистки стоков, но, как правило, с более крупной насадкой для
того, чтобы избежать заиливание.
Капельные биофильтры - наиболее широко используемый тип
аппаратов с неподвижной биопленкой, это реактор с неподвижным слоем и
противотоком воздуха и жидкости.
Твердые отходы – это отходы, которые образуются при защите от
загрязнений водных систем, и их образование переносит центр тяжести
проблемы с загрязнения воды на загрязнения почвы.
Флокулообразование – образование флокул при агрегации бактерий и
образование плотных бактериальных пленок на твердой поверхности – это
явления, вытекающие из адгезионных свойств бактериальных клеток.
Соокисление и кометаболизм – термины «соокисление»,
«кометаболизм» и «случайное окисление» используются для описания
окисления и деградации неростовых субстратов микроорганизмами и
являются по существу синонимами.
Первичный ил - образуется в первичном отстойнике. Содержит
сырые твердые вещества концентрацией 3-4%.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Гуммированный ил – избыточная
биофильтров. типичная концентрация 2%.
биопленка
Страница 3 из 68
с
капельных
Активный ил - флоккулированная биомасса (бактерий + простейшие)
, образующаяся при очистке сточных вод активным илом. Концентрация 812г/л.
Вторичный совместно осажденный ил – активный или
гуммированный ил. Смесь первичных или вторичных твердых продуктов,
осевших на первичном отстойнике.
Сырой ил – не обработанный ни одним из способов. Часто этот
термин относят к первичному или совместно осажденному илу.
Модификация ила – предварительная обработка ила с целью
улучшения фильтруемости. Этот процесс заключается в добавлении
химикатов, действующих как коагулянты или флокулянты. В качестве таких
реагентов могут быть использованы неорганические соли (известь, хлорид
железа, сульфат железа, хлоргидрат алюминия) или специально подобранные
органические полимеры.
Анаэробное сбраживание – ферментативный процесс, в котором
конечные продукты состоят в основном из диоксида углерода и метана.
Проводится как при пониженных, так и при повышенных температурах, хотя
наиболее распространено мезофильное сбраживание.
Ликвидация ила – проводится следующими способами: захоронением
в почве, захоронением в море, сжиганием.
Клеточная иммобилизация – это процесс при котором клетки
прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические
характеристики отличались от характеристик окружающей среды.
Бактериальное выщелачивание – этот термин используется для
описания процесса растворения металлов или их экстракции из минералов,
находящихся либо в горных породах, либо в форме минеральных
концентратов, получаемых на обогатительных фабриках. В большинстве
случаев основным источником металлов являются рудные тела, в которых
металлы находятся в основном в виде сульфидных минералов.
Выщелачивание in situ – используется в тех случаях, когда минералы
могут подвергнуться выщелачиванию без извлечения их из земли с
помощью шахт.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 4 из 68
Компостирование – это экзотермический процесс биологического
окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной
биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях
повышенной температуры и влажности.
Лекция № 1. Введение
План:
1. Предмет и задачи экологической биотехнологии.
2. Основные характеристики сточных вод.
С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла
проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и
бытовой деятельности человека постоянно происходили изменения физических,
химических и биологических свойств окружающей среды, причем многие из этих
изменений были весьма неблагоприятны. Мы ожидаем, что биотехнология будет
оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за
окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит внедрение
новых, более совершенных методов переработки отходов, однако этим применение
биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается. Она будет играть все большую
роль в химической промышленности и сельском хозяйстве и поможет хотя бы отчасти
решить многие из существующих здесь проблем.
На этой дисциплине мы рассмотрим проблему переработки отходов как в
исторической перспективе, так и в плане той роли, которую биотехнология уже играет и
будет играть в этой сфере.
Мы остановимся также на применении биотехнологии в борьбе против недавно
возникшей для окружающей среды угрозы — распространения ксенобиотиков и нефтяных
загрязнений.
Сегодня быстро развиваются разнообразные отрасли промышленности, в которых
процессы жизнедеятельности микроорганизмов используются для создания замкнутых
систем, для контроля за загрязнением сточных вод, для использования альтернативных
энергоресурсов и химического сырья в промышленности; эти процессы широко
используются и в сельском хозяйстве.
В развивающихся странах подобная деятельность, известная под названием
≪целенаправленная технология≫, могла бы привести к значительному повышению
жизненного уровня и —что еще более важно —повышению качества жизни многих
миллионов людей. Масштабы некоторых из этих новых биотехнологических процессов и
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 5 из 68
их применение для решения задач охраны окружающей среды могут быть совершенно
ошеломляющими. Так, для переработки отходов уже построены огромные биореакторы
емкостью 4000—5000 м3. Поскольку концентрация бактерий в таком реакторе может быть
порядка 10s—109 клеток в 1 мл, биотехнологи получают в свое распоряжение достаточно
мощный источник ≪биологической энергии≫.
Биологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин —
биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и
вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех
основных направлениях:
1) деградация органических и неорганических токсичных отходов;
2) возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота,
фосфора и серы;
3) получение ценных видов органического топлива.
2. Основные характеристики сточных вод
Природа и концентрация веществ, загрязняющих сточные воды зависят от их
источника. Различают стоки промышленные и бытовые.
Бытовые сточные воды загрязнены большей частью уличным мусором, моющими
средствами и экскрементами. Они содержат воду (более99%), суспендированные
твердые и летучие вещества. Большая часть суспендированных твердых частиц
целлюлозного происхождения, загрязняющие органические компоненты представлены
(в порядке убывания концентрации) жирными кислотами, углеводами, белками.
Продукты разложения последних придают бытовым сточным водам неприятный запах.
Микрофлора этих вод разнообразна. Это различные виды посвенных и кишечных
микроорганизмов – аэробов, облигатных и факультативных анаэробов. Относящихся к
бактериям дрожжам, грибам, плесеням и вирусам.
Вопросы для самоконтроля:
1) В каких отраслях сельского хозяйства используются методы экологической
биотехнологии?
2) Какие твердые отходы вы знаете?
3) Основные характеристики бытовых сточных вод?
4) Основные характеристики промышленных сточных вод?
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 6 из 68
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 2. Биологические методы очистки стоков
План:
1.Основные характеристики стоков по БПК и ХПК.
2.Схема проведения очистки сточных вод.
3. Типы процессов очистки сточных вод.
1. Использование и получение огромного количества продуктов в различных
сферах человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод,
загрязненных разнообразными органическими и неорганическими, в том числе
токсичными, соединениями. Физико-химические показатели состава сточных вод
определяются профилем промышленного предприятия, вида перерабатываемого сырья,
эколого-географическими условиями места размещения предприятия. Сбрасываемые в
природные водоемы стоки существенным образом влияют на качество воды, нарушают
биологическое равновесие в водоемах, тем самым затрудняют рациональное
водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят водоемы из строя. Сброс
неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде
растворенного кислорода, ее рН, прозрачности и цветности и т.д. Все это отрицательно
влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и
способность водоемов к самоочищению.
Существуют специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами». Данные правила нормируют показатели загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами. Важнейшими из них являются
следующие показатели: количество растворенного в воде кислорода после смешивания –
не менее 4 мг/л; содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти
более чем на 0.25–0.75 мг/л (для водоемов разной категории); минеральный осадок не
более 1000 мг/л; вода не должна иметь запахов и привкусов, рН – в пределах 6.5–8.5; на
поверхности не должно быть пленок, плавающих пятен; содержание ядовитых веществ – в
пределах предельно допустимых концентрациях (ПДК) для людей и животных.
Запрещается сбрасывать в водоемы радиоактивные вещества.
Органические вещества, попавшие в водоемы, окисляются до СО2 и Н2О в
пределах способности водоемов к самоочищению. Количество кислорода, расходуемое в
этих процессах (БПК), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде
примесей. Различают БПК5 (пятидневный), БПК20 (двадцатидневный) и БПКполн
(полный). БПКполн обозначает время, в течение которого все вещества стоков окисляются
в водоеме полностью до конечных продуктов. Сточные воды представляют сложные
системы с ком плексом веществ, их БПК составляет от 200 до 3000 мг О2/л. При сбросе в
водоем таких сточных вод в неочищенном виде возможно полное расходо вание запасов
кислорода. Поэтому перед сбросом сточных вод в природные водоемы их необходимо
очищать до такой степени, при которой после сброса БПК остается в пределах санитарных
норм.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 7 из 68
2.Очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение или
удаление из них присутствующих веществ, а также патогенных мик роорганизмов. В
процессах естественного самоочищения водоемов в большинстве случаев поступающие со
стоками вещества подвергаются разрушению. В ходе этого процесса структура, свойства и
концентрации веществ изменяются во времени и пространстве. В результате вода приоб
ретает исходные свойства. Таким образом, водоемы в определенных пределах играют
роль природного очистного сооружения.
Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она должна
предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод в системах
повторного и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод
в естественные водоемы. Для очистки стоков применяют несколько типов сооружений:
локальные (цеховые), общие (заводские) и районные (городские). Локальные очистные
сооружения предназначены для очистки стоков непосредственно после технологических
процессов. На локальных очистных сооружениях очищают воды перед направлением их в
систему оборотного водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких
установках обычно применяют физико-химические методы очистки (отстаивание,
ректификацию, экстракцию, адсорбцию, ионный обмен, огневой метод). Общие очистные
сооружения включают несколько ступеней очистки:
первичную (механическую),
вторичную (биологическую),
третичную (доочистку).
Районные или общегородские сооружения очищают в основном бытовые стоки
методами механической и биологической очистки.
Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов
использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав
сточных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из
стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте
аппаратурного оформления и протекания процесса, относительно невысоких
эксплуатационных расходах. Однако для успешной реализации метода необходимы
большие капитальные вложения для строительства очистных сооружений. В ходе
процесса очистки необходимо строго соблюдать технологий режим очистки и учитывать
чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей. Поэтому
перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.
3.Для биологической очистки сточных вод применяют два типа процессов:
аэробные, в которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и
анаэробные, при которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному
растворенному кислороду, ни к предпочтительным акцепторам электронов типа нитратионов. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут
использовать углерод органических веществ. При выборе между аэробными и
анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым. Аэробные системы более
надежны, стабильно функционируют; они также больше изучены.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 8 из 68
Анаэробные процессы, существенно уступающие аэробным в скорости протекания
процесса очистки, имеют ряд преимуществ: 1) масса, образуемого в них активного ила
практически на порядок ниже (0.1–0.2) по сравнению с аэробными процессами (1.0–1.5
кг/кг удаленного БПК);
2) в них существенно ниже энергозатраты на перемешивание;
3) дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза. Вместе с тем,
анаэробные процессы очистки мало изучены, в силу низких скоростей протекания для них
требуются дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.
Вопросы для самоконтроля:
1.Что такое БПК?
2. Что такое ХПК?
3. Районные и заводские системы очистки стоков.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция №3. Аэробные процессы очистки сточных вод.
План:
1. Принцип действия аэробной системы очистки.
2. Характеристика активного ила.
1.В аэробных процессах очистки часть окисляемых микроорганизмами
органических веществ используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в
безвредные продукты – Н2О, СО2, NO2 и пр. Принцип действия аэробных систем
биоочистки базируется на методах проточного культивирования. Процесс удаления
органических примесей складывается из нескольких стадий: массопередачи органических
веществ и кислорода из жидкости к клеточной поверхности, диффузии веществ и
кислорода внутрь клеток через мембрану и метаболизма, в ходе которого происходит
прирост микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты. Интенсивность и
глубина биологической очистки определяется скоростью размножения микроорганизмов.
Когда в очищаемых сточных водах практически не остается органических веществ,
наступает второй этап очистки – нитрификация. В ходе этого процесса азотсодержащие
вещества стоков окисляются до нитритов и далее – до нитратов. Таким образом, аэробная
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 9 из 68
биологическая очистка складывается из двух этапов: минерализации – окисления
углеродсодержащей органики, и нитрификации. Появление в очищаемых стоках нитратов
и нитритов свидетельствует о глубокой степени очистки. Большинство биогенных
элементов, необходимых для развития микроорганизмов (углерод, кислород, сера,
микроэлементы), содержится в сточных водах. При дефиците отдельных элементов (азота,
калия, фосфора) их в виде солей добавляют в очищаемые стоки.
2.В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая
ассоциация, состоящая не только из бактерий, но также включающая одноклеточные
организмы – водные грибы, простейшие организмы (амебы, жгутиковые и ресничные
инфузории), микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды,
водные клещи) и др. Эта биологическая ассоциация в процессе биологической очистки
формируеся в виде активного ила или биопленки. Активный ил представляет собой бурожелтые хлопья размером 3–150 мкм, взвешенные в воде, и образован колониями
микроорганизмов, в том числе бактериями. Последние образуют слизистые капсулы –
зооглеи.
Биопленка – это слизистое обрастание материала фильтрующего слоя очистных
сооружений живыми микроорганизмами, толщиной 1–3 мм.
Вопросы для самоконтроля:
1.Микроорганизмы, используемые при аэробной системе очистки.
2.Трофическая пирамида.
3.Виды активного ила.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 4. Реакторы для аэробной очистки сточных вод.
План:
1.Гомогенные реакторы.
2.Реакторы с неподвижной биопленкой.
3.Эксплуатация биофильтров.
4.Биологические пруды.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 10 из 68
1.Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции
сооружениях – биофильтрах и аэротенках.
Капельный биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с
неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с
неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на
поверхности насадки в виде пленки. Особенностью насадки или фильтрующего слоя
является высокая удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая
пористость. Последнее придает необходимые газодинамические свойства слою и
способствует прохождению воздуха и жидкости через него.
Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со
сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним,
– сплошным (рис. 7.1). Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с
площадью отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра.
Фильтрующим материалом обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак.
Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен содержать более
крупные частицы фильтрующего материала (размером 60–100 мм). Щебеночные
биофильтры имеют высоту слоя 1.5 – 2.5 м и могут быть круглыми с диаметром до 40 м
или прямоугольными размером 75×4 м2. Входной поток предварительно отстоянных
сточных вод с помощью водораспределительного устройства периодически равномерно
орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через материал
фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с
биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала; 2) сорбция
органических веществ поверхностью микробных клеток; 3) окисление веществ стоков в
процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком
жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая
способность биопленки восстанавливается. Биопленка, формирующаяся на поверхности
фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему
(рис. 7.2).
Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с
микроорганизмами – окислителями углерода они развиваются в верхней части
биофильтра. Нитрификаторы находятся в нижней зоне фильтрующего слоя, где процессы
конкуренции за питательный субстрат и кислород менее выражены. Простейшие,
коловратки и нематоды, питающиеся бактериальной компонентой экосистемы биопленки,
служат пищей высшим видам (личинкам насекомых).
В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки.
Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра.
Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и
долее сбрасывается в водоем.
Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла,
поэтому биофильтры обогреваются за счет собственного тепла.
Крупные установки, снабженные слоем теплоизоляционного материала, способны
функционировать при отрицательных внешних температурах. Однако, температура
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 11 из 68
внутри фильтрующего слоя должна быть не ниже 6°.Основной режим работы щебеночных
биофильтров – однократное прохождение стоков. При этом нагрузка по органическому
веществу на фильтр составляет 0.06–0.12 кг БПК/м3 в сутки. Для повышения нагрузки без
увеличения площади биофильтра применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или
режим двойного фильтрования
На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов пришли
пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной поверхности
фильтрующего слоя большую пористость и лучшие гидродинамические свойства слоя.
Это позволило строить высокие, не занимающие много места биореакторы, и очищать
промышленные стоки с высокой концентрацией загрязняющих веществ. Удельная
поверхность пластмассовых насадок, используемых для быстрого фильтрования, выше,
чем у щебеночных биофильтров.
Щебеночные биофильтры, имея более низкую объемную плотность, могут
достигать высоты до 8–10 м. Этот тип биореактора при быстром режиме фильтрации
стоков обеспечивает степень удаления 50–60 % БПК.
Для более высокой степени очистки применяют каскад биофильтров. В 1973 г. в
Великобритании был создан вращающийся биологический реактор, представляющий
собой вращающиеся диски – «соты» из пластиковых полос, попеременно погружаемые в
сточные воды и поднимаемые на поверхность. При этом площадь поверхности контакта с
биослоем существенно возрастает и улучшается аэрация.
2.Более совершенным типом биореактора с неподвижной биопленкой является
реактор с псевдоожиженным слоем, характеризующийся наличием носителя, покрытого
микробной пленкой, достаточного для создания псевдоожиженного слоя восходящего
потока жидкости. Реактор имеет систему подачи кислорода и устройство,
обеспечивающее практически горизонтальное распределение потока жидкости в слое
носителя. В качестве носителя в таких биореакторах может быть использован песок, через
который пропускается кислород (система «Окситрон»). Применяют также волокнистые
пористые подушечки с системой подачи кислорода в самом аппарате (установка
«Кептор»).
3. Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важным
условием для эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная
очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное
устройство. Неблагоприятным моментом в эксплуатации биофильтров является
вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах, как вследствие
избыточного образования микробной биомассы.
В настоящее время около 70 % очистных сооружений Европы и Америки
представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов
исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток конструкции – избыточный рост
микробной биомассы. Это приводит к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе
очистки. Предложенная недавно модификация представляет собой установку с
чередующимся двойным фильтрованием. Система рециркуляции позволяют исключить
негативные моменты, характерные для биофильтров. Аэротенк относится к гомогенным
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 12 из 68
биореакторам. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный
герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк
разделяется продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3–4.
Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с
конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Типовые
схемы аэротенков представлены на рис. 7.3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из
двух этапов. Первый этап заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод,
содержащих около 150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических
веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение некоторого времени
(от 4 до 24 ч. и выше в зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.).
На втором – происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике.
Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе
реализуется в две стадии: на первой микроорганизмы активного ила адсорбируют
загрязняющие вещества стоков, на второй – окисляют их и восстанавливают свою
окислительную способность Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется
через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб.
Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной
их стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и
сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали
внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в
аэротенке представляет собой непрерывную ферментацию.
Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются
флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах,
активный ил аэротенков представляет собой меньшее экологическое разнообразие видов.
Основными группами бактериальной компоненты активного ила являются окисляющие
углерод флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактериинитрификаторы. Первая группа бактерий не только принимает участие в деградации
органических компонентов стоков, но и формирует стабильные флокулы, быстро
осаждающиеся в отстойнике с образованием плотного ила. Нитрификаторы (Nitrosomonas
и Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные. Нитчатые
бактерии, с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются флокулы; с
другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое
осаждение). Простейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее
значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).
Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших,
обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет
также поверхность с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила
в аэротенке обычно составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений
стоков, от возраста ила и его продуктивности. Возраст ила вычисляют по уравнению:
T = MV/(my + Gсвых),
где: М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м3; V – объем аэротенка, м3; my –
количество удаляемого ила, кг/сут.; G – расход воды, м3/сут.; свых.
– концентрация ила в выходном стоке, кг/м3.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 13 из 68
Например, для достижения нитрификации с участием медленно растущих
нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а для окисления органики –
возраст ила существенно ниже.
Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит к его «старению» и
снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после
вторичного отстойника выводится из системы, и только часть ила возвращается в реактор.
Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит
осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также
функцию контактных резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая
доза хлора после биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет
10–15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.
4. Биологические (очистные) пруды используются в качестве самостоятельного
очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию
биоочистки в биофильтре или аэротенке. Если очистные пруды функционируют как
самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них
разбавляются трех-, пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой
воды. Для отстоянных стоков без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250
м3/га⋅ сут.; для биологически очищенных вод – до 500 м3/га⋅ сут. Средняя глубина прудов
составляет от 0.5 до 1.0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не
менее одного месяца.
Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно
совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы
биоочистки. Это процессы в шахтных реакторах, процессы с использованием для
аэрирования кислорода. Такие биореакторы называют окситенками. Концентрация
растворенного кислорода в окситенках достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз
превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков
концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л и их окислительная мощность в 4–
5 раз превосходит аэротенки. Шахтные биореакторы позволяют реализовать процесс
очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном
вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и большей частью
заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150 м при диаметре 0.5–10.0
м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное устройство,
обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для циркуляции
потоков очищаемой воды. Направление циркуляции задается вдуванием воздуха в секцию
с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты компактны,
обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4.5 кг/м3 ч). При этом уровень
нагрузки на ил может достигать 0.9 кг БПК/кг⋅ сут. Основной проблемой, возникающей
при эксплуатации окситенков, является проблема отделения твердых частиц от иловой
смеси. Микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение.
Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха.
После стадии дегазации иловая смесь направляется в аэротенк, где после удаления
микропузырьков происходит доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают
по обычной схеме в отстойник.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 14 из 68
Вопросы для самоконтроля:
1.Конструкция аэротенков.
2.Характеристика аэробных микроорганизмов.
3.Использование биологических прудов.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 5.Анаэробные процессы очистки стоков
План:
1.Характеристика септиктенков.
2.Сбраживатели полного смешения.
3. Контактные анаэробные системы.
1.Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого
развития в настоящее время. Эти процессы по сравнению с аэробными процессами
очистки сточных вод имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий
уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших
объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного продукта – биогаза.
Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет.
Используемые для этих целей биореакторы – септиктенки, представляют собой
отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки
эксплуатируются обычно при температуре 30–35°С. Время пребывания в них очищаемых
стоков существенно выше – около 20 суток. При проектировании биореакторов такого
типаодним из основных параметров является его вместимость в литрах (V),
рассчитываемая с учетом количества обслуживаемого населения P:
V = 180 P + 2000.
Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, половина
служит для накопления ила. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при
этом первая занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила (рис. 7.4).
Ил периодически (примерно раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в
биореакторе. Септиктенки применяют в системе городских очистных сооружений. В них
перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил
ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 15 из 68
содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах. Пути биодеградации
загрязняющих веществ, протекающие в септиктенках на основе сложной микробной
ассоциации, включают гидролитические процессы с участием ацидогенных,
гетероацетогенных бактерий и процесс метаногенерации с участием метаногенов.
Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной биоочистки
промышленных и сельскохозяйственных стоков.
2. Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем
для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного
животноводства. Данные стоки имеют высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК
(химическая потребность в кислороде), а навозные стоки – также высокое содержание
нерастворимых компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют
сбраживатели полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в ходе
анаэробной биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на
30 %. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны
ингибировать процесс деградации.
Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600–700 м3 удлиняется
до 15–20 суток при норме суточной загрузки 20–30 м3. Биогаз, образуемый при этом,
содержит до 70 % метана. Биореактор сравнительно небольшого объема очищает стоки
средних ферм с содержание 1200–1500 голов свиней.
3.Для очистки загрязненных стоков пищевой промышленности применяют
специально разработанные контактные анаэробные процессы. В таких процессах в
первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки полностью
перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического перемешивания.
Помимо перемешивания, фактором интенсификации процесса является изменение
температуры в биореакторе. Сброженные стоки направляются в осветлитель, где
происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза.
Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции
стоков. Если величина концентрации биомассы в сбраживателе составляет 5–10 г/л,
возможно достаточно эффективная очистка стоков с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При
увеличении концентрации биомассы до 20–30 г/л возможно использование
неразбавленных стоков с ХПК до 80 кг/м3. Реакторы с неподвижной биопленкой
(анаэробные биофильтры) также находят применение для анаэробной очистки стоков.
Используемые для этих целей биореакторы в отличие от аэробных капельных
биофильтров имеют более крупную насадку для избежания процесса заиливания.
Применяемая для этих целей щебеночная насадка диаметром 25–65 мм имеет до 50 %
свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка, и биомасса
удерживается в свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких
систем составляет до 10 кг/м3⋅сут., с умеренным количеством органики она обычно
близка к 5 кг/м3. Эффективность очистки составляет около 70 %. Эти сооружения, однако,
не нашли пока широкого применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки
и необходимости периодической промывки материала фильтрующего слоя.
В целом анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных
достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные системы
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 16 из 68
биоочистки. Однако в последние годы, вследствие более строгих требований к
предварительной очистке промышленных стоков перед сбросом их в канализацию,
интерес к анаэробным процессам возрастает.
Вопросы для самоконтроля:
1. Конструкция и принцип действия реакторов, применяемых при анаэробной
системе очистки воды.
2. Преимущества и недостатки анаэробных процессов очистки.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 6. Утилизация твердых отходов.
План:
1. Биотехнологические методы утилизации твердых отходов.
2. Биодеградация твердых отходов.
В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологические методы
наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем
биоочистки стоков.
Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все
возрастающие объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного
количества свалок, увеличению их площадей, а также к неуправляемому попаданию
отходов в окружающую среду из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным
2001 г. во Франции, Греции и Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было
рассыпано, соответственно, 10.3, 17.5 и 35 % от общего количества ликвидированных
отходов. Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использованию сырья,
очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого
другого способа их переработки. После того, как стало ясно, что при анаэробной
переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель
– биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и
получение на месте их переработки метана.
Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские свалки, в
целом состав твердых отходов в развитых странах становится все более однотипным, при
этом четко просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне
снижения доли органических и растительных материалов. Это удлиняет время
стабилизации отходов на свалках. Исследования химического состава содержимого свалок
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 17 из 68
показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от общего
количества твердых отходов.
2.Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характертак как
постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные
промежутки. В результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры,
рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок
присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на
поверхности твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов.
Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В
целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависит от
спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ,
наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов
концентраций доноров и На типичной европейской свалке, где отходы размещены по
отсекам, система переработки отходов является, по существу, совокупностью реакторов
периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях
биодеградации.
На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные
процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий,
актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются
наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно
окисляемые субстраты – лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют
различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее
информативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в скоростях
разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах отношение содержания
целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно перерабатываемых – 0.9–1.2 и в
полностью стабилизированных отходах – 0.2. В течение аэробной стадии температура
среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной
микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем
состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание процессов
деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что
является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ
приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь,
стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем
облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса
участвуют разнообразные, взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом
виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают
термодинамические и кинетические преимущества. Происходит последовательно процесс
гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом
мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также
спиртов и органических кислот. Далее при участии метаногенов происходит процесс
образования метана.
В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого
свалок, образуются два типа продуктов – фильтрующиеся в почву воды и газы.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 18 из 68
Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных
веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические,
ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макро- и
микроэлементы, металлы.
Поэтому важным моментом при выборе и организации мест свалок является
защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией
вод применяют малопроницаемые засыпки или создают непроницаемые оболочки вокруг
свалки или специальные заграждения.
Организация сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная
переработка с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных
прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев можно удалить из
вод до 70 % БПК; в капельных биофильтрах или системах с активным илом – до 92 %
БПК с одновременным извлечением в результате биосорбции свыше 90 % металлов
(железа, марганца, цинка).
Анаэробная биоочистка позволяет удалить 80–90 % ХПК в течение 40–50 дней при
25°С ( при 10°С величина удаления ХПК снижается до 50 %). Биогаз, образуемый при
биодеградации материала свалок, является ценным энергоносителем, но также может
вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых
вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур), поэтому следует
ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособлений
(преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа), позволяющих
управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек,
препятствующих его утечке. Интерес к извлечению метана в процессах переработки
свалок существенно возрос в последние десять лет. В США для этих целей построено 10
установок, в странах Общего рынка – около 40. Создание таких установок планируется в
Великобритании, Японии, Канаде, Швейцарии и др. Сбор и последующее применение
биогаза, образуемого на свалках в больших количествах, имеет огромные перспективы.
Так, установка в Россмане в летние месяцы дает до 40000 м3 газа в день. Объемы таких
установок значительны, до 10–20.106 м3.
Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твердых отходов.
Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные на различных лабораторных,
пилотных установках и контролируемых свалках, дают существенный разброс данных, от
десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают
многие факторы, – температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический
состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке,
извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из
полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения
газа. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной
очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.
Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер,
так как использование образуемого на свалках биогаза, снижает материальные затраты на
борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 19 из 68
Вопросы для самоконтроля:
1. Характеристика твердых отходов.
2. Аэробная биодеградация твердых отходов.
3. Анаэробная биодеградация твердых отходов.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция №7. Ликвидация ила
План:
1. Способы ликвидации ила.
2. Обеззараживание ила.
1.В странах ЕЭС ежегодно производится около 6Мт ила, причем до 30%
применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Такое использование ила
весьма выгодно с точки зрения роста урожайности, так и в плане улучшения почвы.
Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит азота 5,1, фосфора 1,6 и калия 0,4%.
Доступность этого азота для сельскохозяйственных культур составляет 50-85%, а
фосфора 20-100% (по сравнению с суперфосфатом). Таким образом, жидкий
сброженный ил по содержанию этих элементов не уступает навозу. В других типах ила
меньше питательных веществ, и они менее привлекательны для фермеров. Ни один из
типов ила не содержит значительных количеств калия, поэтому ил не может
рассматриваться как комплексное удобрение. Тем не менее, его использование в
сельском хозяйстве способствует росту урожайности.
Этот способ ликвидации осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в
иле патогенных организмов и токсичных элементов. Основными стабилизирующими
ил процессами, являются сбраживание, складывание в кучи или обработка известью. В
качестве альтернативы возможно захоронение ила ниже уровня почвы, что
обеспечивает
отсутствие
контакта между патогенными микроорганизмами и
сельскохозяйственными культурами. Это позволяет избежать дурных запахов.
Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два патогенных
организма: Salmonella и бычий цепень. Однако в иле могут встречаться и другие
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 20 из 68
патогенные виды, в частности паразитические, например, бруцелла абортус и Аскарис
суум.
Трудности, связанные с наличием в иле ионов тяжелых металлов, и мероприятия,
осуществляемые для минимизации их воздействия на окружающую среду, обсуждены
в договорах ЕЭС.
Следует таким образом управлять концентрацией любого токсичного элемента в
почве, чтобы не был превышен концентрационный предел, после которого
присутствие этого элемента становится чувствительным и нежелательным. При
оценках такого рода следует учитывать наличие двух типов токсического воздействия:
фитотоксичность, которая снижает количество и качество урожая и зоотоксичность,
при которой металлы накапливаются в растениях до уровня, делающего из
токсичными к моменту употребления. В разных странах наиболее токсичными
считаются различные металлы, и допустимые пределы их концентраций различны.
Например, в ФРГ установлена удельная концентрация кадмия не должна превышать
20мг / кг. В то время как в Дании предел составляет 8мг / кг. В Великобритании
ограничение на концентрацию ряда элементов меняются в зависимости от типа почвы,
в которую вносится ил, и основываются на 30-летнем сроке ассимиляций ила в
активном слое почвы ( пахотные земли ) глубиной 0,2 м.
Металлом, накапливающимся в наибольшей степени, является кадмий.
Естественно, что по принятым в США нормативам основное внимание уделяется его
определению. Самый большой вред кадмий приносит своей зоотоксичностью. Из
других металлов имеют значение медь, цинк и никель. Эти элементы фитотоксичны, и
так как они действуют, дополняя друг друга, то часто их влияние рассматривают как
единое целое. В настоящее время во многих странах в том числе и в РК используется
концепция цинкового эквивалента, основанная на сравнительной токсичности цинка,
меди и никеля, равной 1:2:8. (слайд 1)
Следующий метод- захоронение в море. Этот способ широко распространен в
Великобритании, которая сбрасывает, таким образом, около 107 т влажного ила
остальные европейские страны менее привержены этому методу. Захоронение ила в
море регулируется ежегодными лицензиями. В этих лицензиях определены места
сброса, а также количество и качество сбрасываемого материала.
Сжигание. Эта процедура в странах ЕЭС не нашла широкого применения. Хотя,
например, во Франции сжигается до 30% ила, в Дании до
100%. Для этого
существуют два основных типа установок для сжигания ила: с несколькими печами и с
кислородным поддувом. В этих печах легче сжигать сырой, а не сброженный ил , так
как последний теряет часть своего энергетического потенциала в виде биогаза.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 21 из 68
Тепловыделения за счет сжигания или в этих странах используются для
промышленных целей или же для отопливания помещений. ( слайд 1)
2. Пастеризация. Этот способ используется в основном в Швейцарии и Германии
для предупреждения распространения Сальмонелла при внесении или на поля.
Необходимым условием является нагревание ила до 70ºС и выдерживание его при
этой температуре в течение 30мин. Аппараты для пастеризации и типы процессов
представлены на слайде 2
реакторы могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме, нагрев
обычно
осуществляется
несколькими
последовательно
расположенными
теплообменниками. Теплообменники используются также для охлаждения после
пастеризации. Это снижает стоимость процесса и позволяет охладить ил до температуры
мезофильного
анаэробного сбраживания. Использование сбраживания после
пастеризации необходимо для предотвращения повторного роста энтеробактерий. По
опыту накопленному в Швейцарии, пастеризация позволяет достичь вполне приемлемого
уровня 100клеток энтеробактерий/г. Кроме того, было показано, что при этом яйца
гельминтов теряют жизнеспособность.
Термообработка. В этом процессе используются гораздо более жесткие условия, чем
при пастеризации, - как правило, высокое давление и температура около 200ºС.
Основными целями термообработки являются улучшение свойств ила перед
обезвоживанием и получение стабильных и инертных твердых частиц. Этот процесс
может значительно улучшить свойства ила. Например на установке ВОТроф ил
подвергается предварительному нагреву до температуры 195ºС опд давлением 1,5 МПа
перед тем, как его направляют в основной реактор со следующими условиями
эксплуатации Слайд. Основной проблемой при термообработке является концентрация
обрабатываемых жидкостей. Она может достигать 25000мг/л по ХПК, и необходимо
делать соответствующие поправки при проектировании основной стадии биоокисления.
Термофильное сбраживание. Термофильное сбраживание как аэробное, так и
анаэробное позволяет достичь значительного уровня обеззараживания. Согласно
основным теориям более предпочтительным процессом является аэробное сбраживание.
Влияние этого типа сбраживания на содержание клеток Сальмонелла в иле показано в
таблице.
Радиационная обработка. Использование радиационной обработки для стерилизации
не является в настоящее время чем-то обычным (например для стерилизации продуктов
питания, медицинского обслуживания). Поэтому радациннуюи обработку используют для
получения ила со значительно сниженным содержанием патогенных и паразитических
организмов. Спромышленной точки зрения это означает использование радиоизотопных
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 22 из 68
источников (кобальта-60, цезия -137) и электронных ускорителей. В настоящее время
одинаково доступны как ускорители, так и установки, использующие со-60.
Вопросы для самоконтроля:
1.Методы сжигания ила.
2.Методы обеззараживания ила.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 8. Биоочистка газовоздушных выбросов.
План:
1. Биологические методы для очистки воздуха.
2. Характеристика микроорганизмов, используемых для биоочистки.
3. Установки для биоочистки воздуха.
1.Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей
технологической деятельности приобретает все большую остроту. В воздухе больших
промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом
концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в
загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической,
пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные
комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. Среди этих
веществ – органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-,
серо- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ,
сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены). В воздушных бассейнах
больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том
числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять
угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.
Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и
биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время
чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов – абсорбция
примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями.
Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются
озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические
методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и
пока в ограниченных масштабах.
2. Биологические методы очистки воздуха базируются на способности
микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 23 из 68
до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов
метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и
различные С1-соединения.
Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и
диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами.
Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси
углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей.
Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium
–дихлорэтан; Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium – винилхлорид.
Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные
микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в
качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений –
загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического
потенциала микрорганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у
микробиологов и генетиков, включая методы традиционной селекции и отбора, а также
новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число
токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами
микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих
больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность.
Для разрушения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы
целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в
рабочее тело действующих установок.
3.Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры,
биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.
Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в
1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ совсем недавно – в
1980 г. Спустя три года, в 1984 г. только в ФРГ функционировало и находилось в стадии
запуска около 240 установок. Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как
и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует
токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде
диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.
Классификация установок биологической очистки воздуха
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Биофильтр Фильтрующий слой –иммобилизованные на природных носителях
микробные клетки Циркуляция воды отсутствует.
1. Десорбция материалом фильтрующего слоя.
2. Деструкция микробными клетками.
Материал фильтрующего слоя
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 24 из 68
Биоскруббер Вода, активный ил Циркуляция воды
1. Абсорбция в абсорбере водой.
2. Деструкция в аэротенке активным илом.
Минеральные соли вносят в воду
Биореактор с омываемым слоем
Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки. Циркуляция
воды
1. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам.
2. Деструкция в биологическом слое.
Минеральные соли вносят в
качестве носителя для фильтрующего слоя
используют природные материалы – компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем
составе различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития
микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок.
Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через
фильтрующий слой в любом направлении, снизу – вверх или – наоборот. При этом воздух
должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется
однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха
влажность фильтрующего слоя составляет 40–60 % от веса материала носителя. При
недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются трещины,
материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую
активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды
на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит
образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате
снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность
очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или
комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом
снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно
возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений
рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным.
Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом
термостатируется.
Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс
мер, важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в
биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95–
100 %. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического
сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических
полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек,
активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего
материала.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 25 из 68
Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе
трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве
2–40 % от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие
в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в
результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь, до
250 кг/м3.
Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами
фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ и
ферментативной активностью микрорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления
вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как
диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью
протекания биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной
концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения
потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные
вещества, и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых
соединений. Так, при присутствии в воздухе в качестве вредных примесей комплекса
соединений (бутанола, этилацетата, бутилацетата и толуола) последний утилизируется
микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.
Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают
спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для
созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации
зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое
и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация
микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому
периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов
достаточно велика и составляет несколько лет.
Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки
воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в
абсорбере токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, растворяется
в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на
очистку. Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные,
распылительные, форсуночные и т.д.). Цель конструкционных усовершенствований
заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости. Это
определяет эффективность абсорбции. На второй стадии загрязненная вода поступает в
аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной
схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются
микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием
биомассы.
Биореактор с омываемым слоем: рабочим телом этой биосистемы являются
иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с
иммобилизованными микробными клетками. Этот слой омывается водой, содержащей
необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит
через него, при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку,
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 26 из 68
покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами.
Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой
фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость
диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций.
Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через
5–10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам
микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов. Периодически,
обычно раз в несколько месяцев, биослой очищают от избытка биомассы и наполняют
свежими гранулами.
Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов,
заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной
производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки
измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч., к общему объему
установки. Масштабы промышленного применения методов биологической очистки
воздуха в настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространенным типом
установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют
незначительных расходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно
невысока, – от 5 до 400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения
фильтрующего слоя/ч.
Главным образом, это определяется низким содержанием микроорганизмов в
единице объема материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований
однородности структуры и газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому
они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в
биофильтрах – достаточно высока. Например, используемые в сельском хозяйстве ФРГ
биофильтры обеспечивают 90 % очистку воздуха от дурнопахнущей органики.
Повышение эффективности работы биофильтров связано с созданием установок, в
которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через рабочее тело
установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через который
сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный
компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно
установки и транспортером вновь подается в верхнюю часть установки. Такой
движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение
через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола,
сероводорода составляет 96.7–99.9 %. Повышение эффективности работы биофильтров,
безусловно, связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.
Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как
представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при
использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует
существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе
хорошо растворимых токсических веществ. Производительность биоскрубберов
существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки
также высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов
металлургических предприятий дает следующие показатели: производительность 120 000
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 27 из 68
м3/ч, снижение интесивности запаха воздуха от 75 до 85 %, степень конверсии
органических примесей – 50 %.
Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с
омываемым слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки,
характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч
кубометров очищаемого воздуха в час). Такие малогабаритные установки очень
эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень
очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле
микроорганизмами от ацетона,бутанола, пропионового альдегида, этилацетата достигает
90 % при удельной производительности установки 10 000 ч–1.
Описаны другие подходы для очистки воздуха, например, на основе растущей
суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом,
сернистым ангидридом и парами серной кислоты, через интенсивную культуру
микроводоросли Chlorella, имеющую большую поверхность контакта суспензии с
воздухом, обеспечивает 100 % очистку воздуха при производительности установки до 1
млн. м3/ч.
Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от
алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным
илом. Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда
фармацевтических производств на основе иммобилизированных микробных клеток.
Производительность установки по ацетону достигает 164 г углерода/м3⋅ ч; 57 г/м3⋅ ч по
смеси этанол + пропанол и 15 г/м3⋅ ч по дихлорэтану. Для детоксикации цианида в
промышленных выбросах предложены биологические методы, включая применение
различных биологических агентов, от активного ила до специфических ферментов,
разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у Bacillus stearothermophilus,
катализирует превращение цианида в тиоцианат, а иммобилизированная цианидгидратаза
гидролизует цианид до формамида.
Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные
соединения серы (тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут
служить источником энергии для многих микроорганизмов:
H2S + O2 ⎯T⎯hio⎯bac⎯il⎯lus→H2SO4.
(CH3)2S + 5 O 2 ⎯H⎯yp⎯hom⎯icro⎯bi⎯um→2 CO2 + H2SO4 + 2 H2O.
Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через
солевой раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла
далее может быть окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы
биоочистки воздуха от сероводорода, а также органических соединений серы с
использованием тиобацилл; при анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с
денитрификацией:
5 H2S + 8 NaNO3 → 4 Na2SO4 + H2SO4 + 4 H2O + 4 N2.
(CH3)2S + 4 NaNO3 → 2 CO2 + Na2SO4 +2 NaOH + 2 H2O + 2 N2.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 28 из 68
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются
достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов.
Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов
биоочистки.
Вопросы для самоконтроля:
1.
2.
3.
4.
Методы очистки воздуха.
Влияние газовоздушных выбросов на окружающую среду.
Конструкция и принцип действия установок для биоочистки воздуха.
Морфология и физиология почвенных микроорганизмов.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 9.Биодеградация ксенобиотиков.
План:
1.
Характеристика ксенобиотиков.
2.
Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих
токсичных соединений.
3.
Природные катаболические плазмиды.
4.
Пестициды, полиароматические углеводороды, галогенсодержащие
ксенобиотики.
5.
Биологические методы применимые для очистки природной среды от
нефтяных загрязнений.
1.Ксенобиотики – чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ,
красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в
элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или
постоянно накапливаются в окружающей среде и вредно влияют на все живое. Широкое и
повсеместное применение пестицидов, в том числе неразлагаемых, накопление различных
отходов в огромных количествах привело к широкому распространению загрязнения
окружающей среды – недр, воды, воздуха. Накопление ксенобиотиков представляет
огромную опасность для человека, употребляющего в пищу крупную рыбу и высших
животных.
Судьба химических соединений, попадающих в окружающую среду, определяется
комплексом физических, химических и, особенно, биологических факторов. Деградация
ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и
существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и пр.
Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 29 из 68
протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или
полимеризации.
Так, примерные значения коэффициента увеличения концентрации
ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) таковы:
Водная среда 100
↓
Фитопланктон
↓↓
Зоопланктон
↓
Мелкая рыба 106
↓
Крупная рыба ↓
↓
Хищные птицы 108
Ксенобиотики, которые подвергаются полной деградации, то есть минерализуются
до диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, используются
микроорганизмами в качестве основных ростовых субстратов и проходят полный
метаболический цикл. Частичная трансформация соединений происходит, как правило, в
процессах кометаболизма или соокисления и не связана с включением образуемых
продуктов в метаболический цикл микроорганизмами. Наконец, некоторые ароматические
углеводороды и синтетические полимеры вообще не поддаются биологической
трансформации:
Ксенобиотик.
Биологическая
трансформация.
Минерализация
.Накопление. Полимеризация.
Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязанных факторов:
структуры и свойств самого соединения, физико-химических условий среды и ее
биокаталитического потенциала, определяемого микробным пейзажем. Все эти факторы в
совокупности определяют скорость и глубину трансформации ксенобиотика. Нельзя
забывать о том, что биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда,
когда происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация. Это может быть
достигнуто в результате всего одной модификации структуры соединения. Однако часто в
ходе деградации происходит серия последовательных модификаций исходного
соединения с участием нескольких микробных видов. Важную роль в удалении
ксенобиотиков из окружающей среды играют разнообразные типы микробного
метаболизма. В природных условиях на ксенобиотики воздействую микробные
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 30 из 68
сообщества. В них проявляются различные типы взаимодействия: кооперация,
комменсализм, взаимопомощь. Именно благодаря гетерогенности природных микробных
сообществ ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в
микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов
является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Есть два пути для
борьбы с загрязнением биосферы ксенобиотиками: сбор и детоксикация ксенобиотиков до
момента попадания в окружающую среду и трансформация или удаление ксенобиотиков,
попавших в среду.
2.Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных
соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих
химических соединений время до начала их трансформации (так называемый
адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату)
значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение
этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению, как
субстрату селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате
естественным путем возникают микробные популяции, которые, как оказалось, могут
сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта.
Поэтому к моменту нового поступления этого соединения в почву в ней уже
присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать токсикант. Таким
образом, после попадания ксенобиотиков в окружающую среду из почвы можно выделить
микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее среди них
вести селекцию на увеличение скорости деградации. Это возможно различными путями:
отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов. Повышение деградирующей способности возможно также в
результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к
токсикантам.
При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить
природное генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные
формы с новыми катаболическими функциями.
Огромная роль в процессах межорганизменного переноса генетической
информации, приводящих к биохимической изменчивости популяций, принадлежит
плазмидам – внехромосомным генетическим элементам.
Катаболические, или деградативные
плазмиды, кодирующие реакции
минерализации или трасформации ксенобиотиков, придают микроорганизмам
способность перераспределять между собой пул деградативных генов.
3.В настоящее время описаны разнообразные природные катаболические
плазмиды, встречающиеся у различных представителей почвенной микрофлоры.
Особенно часто они идентифицируются среди рода Pseudomonas. Информация, которую
несут плазмиды, может расширить круг субстратов хозяина за счет объединения двух
метаболических путей, либо полным кодированием нового пути, либо дополнением
существующих метаболических путей. Внутри- и межплазмидные рекомбинации
приводят к перетасовке генов на плазмидах и возникновению новых метаболических
путей.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 31 из 68
Известны также случаи перераспределения генетического материала между
плазмидами и хромосомой хозяина, приводящие к появлению совершенно новых генов.
Пластичность катаболических плазмид обеспечивает перераспределение генетического
материала, что может привести к возникновению в природе нового организма,
эффективно деградирующего новый субстрат.
Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации
позволяют получать эффективные штаммы-деструкторы ксенобиотиков. Это тем более
важно, так как общепринятые методы работы с рекомбинантными ДНК, применяемые для
клонирования чужеродной ДНК с небольшим числом генов, имеют существенные
ограничения при клонировании метаболических путей деградации ксенобиотиков,
кодируемых десятками генов. Ограничения также обусловлены недостатком знаний о
механизмах деградации и структуре метаболических путей, а также возможностями риска,
связанного с попаданием сконструированных организмов в среду. Методы генетической
инженерии могут быть полезными для усовершенствования уже существующих
деградативных способностей микробных клеток.
4. Большинство пестицидов, попадающих в окружающую среду в результате
использования их для обработки сельскохозяйственных культур, расщепляются
бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложное соединение
достаточно эффективно происходит под воздействием микробных сообществ. Доказана
возможность полной минерализации ДДТ в ходе сопряженного метаболизма. Высокая
токсичность ряда пестицидов может утрачиваться уже на первой стадии микробной
трасформации. Это позволяет разрабатывать относительно простые микробиологические
методы для борьбы с ксенобиотиками. Описаны опыты успешного применения ферментов
(гидролаз, эстераз, ациламидаз и фосфоэстераз) для проведения первичного гидролиза
пестицидов и увеличе ния степени их последующей биодеградации. Например, с
помощью паратионгидролазы из Pseudomonas sp. можно достаточно эффективно удалять
остаточный паратион из контейнеров с данным пестицидом, а забуференные растворы
данного фермента применяют для уничтожения разливов паратиона на почвах. На основе
иммобилизованных ферментов возможно удаление пестицидов из сточных вод; ферменты
применяют также в виде аэрозолей для удаления пестицидов с промышленных установок.
Большую опасность для окружающей среды представляют полиароматические
углеводороды. Так, полихлорбифенилы (ПХБ) являются очень устойчивыми
соединениями, долго присутствующими в окружающей среде в результате прочной
адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой миграции.
Микроорганизмы не способны глубоко деградировать эти соединения, тем не менее,
модифицируют их. Установлена способность микробных сообществ деградировать
промышленные ПХБ с образованием новых типов углеводородов, при этом молекулы с
низкой степенью хлорирования расщепляются. Устойчивое полиароматическое
соединение бензапирен не минерализуется в системах активного ила, хотя описано
несколько микробных видов, способных частично его метаболизировать. В ходе
деградации бензапирена образуются канцерогенные соединения (гидрокси- и
эпоксипроизводные). Также устойчив к деградации полистирол, хотя описано несколько
случаев частичной деградации измельченных автомобильных шин, изготовленных из
стирол-бутадиеновой резины. Есть сообщения о росте микробного сообщества на стироле,
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 32 из 68
в ходе которого разрушается ингибитор полимеризации 4-трет-бутилкатехол, далее
происходит свободнорадикальная полимеризация стирола с осаждением образующегося
полистирола. Этот полимер впоследствии под воздействием микробного сообщества
исчезает из почвы.
Одной из крупнейших групп загрязнителей природы являются галогенсодержащие
ксенобиотики, которые характеризуются высокой токсичностью и плохой
деградируемостью. Причина токсичности и устойчивости этих соединений определяется
наличием в них трудно расщепляемой галоген-углеродной связи. Однако, как оказалось,
ряд галогенсодержащих соединений являются природными образованиями и
представляют собой метаболиты бактерий, грибов, водорослей. Это определило судьбу
отдельных галогенсодержащих соединений в природе. Наличия данной природной
предпосылки для полной деградации ксенобиотика, однако, недостаточно. Для
эффективной трансформации родственного ксенобиотического соединения необходима
адаптация микроорганизма, включая его генетическую изменчивость. Длительные
исследования путей деградации галогенсодержащих ксенобиотиков показали, что для
получения суперштамма, эффективно разлагающего данные ксенобиотики, нужно
модифицировать существующий катаболический механизм деградации ароматических
соединений. Идея конструирования катаболических путей принадлежит Рейнеке и
Кнакмуссу, создавшим штамм Pseudomonas, способный деградировать 4-хлорбензоат.
5. Биологические методы также применимы для очистки природной среды от
нефтяных загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной
промышленности, так и непосредственное загрязнение в результате разлива нефти.
Сточные воды нефтяной промышленности очищают биологическими методами после
удаления большей части смеси различных углеводородов физическими методами. Для
этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим
адаптированное к компонентам нефти сообщество. Скорость деградации зависит от
качественного состава и концентрации углеводородов, а также температуры и степени
аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется, когда нефть
эмульгирована в воде. Особую проблему представляют выбросы и аварийные разливы
нефти на поверхность почвы. Это приводит не только к загрязнению пахотных земель, но
также и источников питьевой воды. В почве содержится много микробных видов,
способных деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в том числе и в
результате дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным
является внесение в почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых
входят соединения азота, фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации
которых в почве достаточно низки и лимитируют рост микроорганизмов. После внесения
этих соединений в почву концентрация микроорганизмов-деструкторов существенно
возрастает, и возрастает скорость деградации нефти.
С помощью генетического конструирования создан «супермикроб»,способный
утилизировать большинство основных углеводородов нефти. Многие природные штаммы
Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды, каждая из которых кодирует фермент
для расщепления одного класса углеводородов – плазмида OCT обуславливает
расщепление октана, гексана, декана; XYL – ксилола и толуола; CAM – камфары,NAH –
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 33 из 68
нафталина. Плазмиды CAM и NAH сами способствуют своему переносу, стимулируя
спаривание бактерий.
Вопросы для самоконтроля:
1. Природа ксенобиотиков.
2. Характеристика супермикроба.
3. Микроорганизмы –деструкторы.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 10. Бактериальное выщелачивание металлов.
План:
1. Введение.
2. Биоповреждение
1.Вероятно, из всех аспектов микробиологической технологии меньше всего
рекламируется и больше всего недооценивается применение микроорганизмов для
экстракции металлов из минералов, для концентрирования и извлечения драгоценных
металлов из растворов, а также для получения новых промышленных биоматериалов.
Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних
цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные
тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на
месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс выщелачивания ≫ для получения
меди из содержащих ее минералов. Эти древние горняки и не подозревали, что в
подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее
время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в
широких масштабах во всем мире .для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и
другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое •выщелачивание
применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены
многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах
выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в
данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что
бактериальное выщелачивание может гшироко использоваться в горнодобывающей
промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 34 из 68
энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду
технологиях.
Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в
горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые
прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц из моечных вод,
остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы
известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для
получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли
некоторые надежды и в значительной степени определили области применения
микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим
способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также
экономичного получения ценных металлов.
Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные
соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки — это полимеры. Однако на
сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит
микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока
биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в
будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального
назначения.
2.Биоповреждение обычно не рассматривают как один из аспектов биотехнологии,
но тем не менее оно имеет огромное экономическое значение. Микробы способны
разрушать материалы, находящиеся в земле и под водой; они размножаются в
промышленных водах, нефтепродуктах и эмульсиях, вызывая коррозию промышленных
сооружений или образование слизи,а также повреждают топливные баки. Последнее
создает особенно серьезные проблемы в авиации и заставляет проводитьдорогостоящие
контрольные измерения.
Цель этой темы состоит в том, чтобы рассмотреть роль микроорганизмов в
коррозии, в извлечении металлов и получении биоматериалов. В дальнейшем изучим
отдельные виды микроорганизмы и их использование в современной технологии, а также
их значение для дальнейшего развития технологии на нашей планете.
Вопросы для самоконтроля:
1.История развития бактериального выщелачивания металлов.
2. Извлечение металлов из растворов.
Рекомендуемая литература:
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 35 из 68
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция № 11. Выщелачивающие микроорганизмы.
План:
1. Характеристика микроорганизмов.
2. Биохимия выщелачивания.
1.Методы извлечения меди из пород, содержащих минералы, путем обработки их
кислыми растворами используются уже много веков. Однако лишь в 50-е и 60-е гг. нашего
столетия выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют
бактерии. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию
Tiobacillus ferrooxydans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал
серусодержащие соединения, а также, возможно, и некоторые металлы. Вскоре оказалось,
что он участвует и в переводе меди из рудных минералов в раствор.
Сейчас известны и другие микроорганизмы, активно участвующие в извлечении
металлов из минералов; большинство минералов сульфидной природы разрушается
именно этим путем. Хотя технология бактериального выщелачивания используется в
основном для извлечения меди и урана, она находит достаточно широкое применение и в
переработке минерального сырья.
В данном лекции рассматриваются организмы, участвующие в выщелачивании
металлов, и механизмы их действия. Описаны сферы применения микробного
выщелачивания в настоящем и возможное будущее биоэкстрактивной металлургии.
В бактериальном выщелачивании участвуют следующие микроорганизмы.
Thiobacillus ferrooxidans Этот наиболее изученный из всех выщелачивающих организмов
почти всегда можно выделить из среды, в которой происходит окисление железа или
минералов. Т. Ferrooxidans, вероятно, представлен в различных природных средах
штаммами с температурными оптимумами от 10 до 30 °С. Максимальная .переносимая
температура равна 37°С (или ниже).
Leptospirillum ferrooxidans Этот организм, который, видимо, лучше называть
Ferrovibrio, впервые был выделен в Армении, однако теперь известно, что •он встречается
во многих местах, где осуществляется выщелачивание. Он может расти при 40 °С и рН 1,2
на пирите (FeS2) и, по-видимому, окисляет только железо, не затрагивая серу. Этим он
отличается от Т. Ferrooxidans, который окисляет серу так же хорошо, как железо.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 36 из 68
Thiobacillus thiooxidans, Т. Acidophilus и Т. Organoparus Эти ацидофильные
организмы окисляют только серу и ее соединения, а также действуют на серу пирита
совместно с Leptospirillium ferrooxidans. Они могут участвовать в окислении серы,
образующейся в результате химической реакции между ионами трехвалентного железа и
сульфидами меди. Т. Thiooxi.dans изменяет рН среды, в которой он растет, до значительно
меньших величин ( — 0,65), чем те, которые переносит хорошо охарактеризованный
штамм Т. Ferrooxidans, и способен таким образом повышать эффективность прямого
кислотозависимого выщелачивания сульфидов (например, PbS, CdS, NiS) в присутствии
элементарной серы.
Умеренные термофилы Обнаружены различные термофильные, окисляющие
пирит, железо и серу бактерии, которые лучше всего растут при температурах около 50
°С. Эта группа умеренных термофилов включает факультативных гетеротрофов,
хемолитотрофных гетеротрофов и автотрофов, причем обнаруживаются все новые и ноМикрофотография Sulfolobus brierleyi, растущего на элементарной сере при 60 °С.
Получена с помощью сканирующего электронного микроскопа (увеличение 10 000). (слайд)
вые организмы этого класса. Данные организмы могут играть существенную роль в
выщелачивании саморазогревающихся минералов и угольных отвалов.
Крайние ацидотермофилы Лучше всего изучен род Sulfolobus (рис. 5.1). Все его
виды окисляют серу, а некоторые (например, S. Brierleyi) способны к окислению железа и
таких минералов, как халькопирит. Эти организмы переносят температуру до 85 °С и
выделены в основном из горячих источников. Впрочем, недавно из дренажных вод
угольных отвалов был получен организм, сходный с Sulfolobus.
Род Sulfolobus относится к Archebacteriaceae — отдельной группе бактерий,
которую предлагают считать третьим царством живых организмов. Представители этого
рода, вероятно, играют важную роль в выщелачивании минералов при повышенных
температурах.
2.Все упомянутые выщелачивающие бактерии переводят металлы в раствор
различными путями. Соответствующие методы были названы прямыми и непрямыми.
Окислительным процессом, прямо катализируемым бактериями, является окисление
железа,
4FeS04 + 02 + 2Н2 S04 * 2Fe2 (S04)3 + 2Н2 О, (1)
и окисление серы,
S8 + 1202 + 8Н2 О * 8Н2 S04. (2)
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 37 из 68
Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими
организмами. Примерами такого рода могут быть окисление пирита,
4FeS2 + 1502 + 2Н20 > 2Fe2 (S04)3 + 2Н2 S04, (3)
и сфалерита,
ZnS + 202 v ZnS04 (4)
Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в
раствор многие минералы, например халькоцит,
Cu2 S + 2Fe2 (S04)3 > 2CuS04 + 4PeS04 + S°, (5)
и уранинит,
U02 + Fe2 (S04)3 >• U02 S04 + 2FeS04. (6)
Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который
образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют непрямой экстракцией.
Нередко в ходе этой химической реакции образуется элементная сера [реакция (5)],
которая может непосредственно окисляться бактериями до серной кислоты [реакция (2)].
Вопросы для самоконтроля:
1. Морфология выщелачивающих микроорганизмов.
2. Физиология выщелачивающих микроорганизмов.
3. Биохимические реакции выщелачивания.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988.
Лекция №12. Промышленное применение биоэкстрактивной металлургии.
План:
1.Выщелачивание меди и урана.
2. Выщелачивании in situ.
3. Чановое выщелачивание.
4. Кучное выщелачивание.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 38 из 68
5. Недостатки методв бактериального выщелачивания.
1.В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как
биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных
масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.
Методы, использовавшиеся в XVIII в. на месторождении РиоТинто (Испания) для
извлечения меди из груд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней.
В нынешнем столетии выщелачивание отвалов, как называют этот процесс, развивалось в
США; оно используется для получения меди из •бедных руд [содержащих менее 0,4%
меди (по весу)], а также из отвального материала с очень низким содержанием меди.
Такие отвальные материалы накапливаются при крупномасштабной открытой
разработке руды. Бедную руду или отвальную породу перевозят из карьера куда-либо
поблизости (обычно в долину), где естественный уклон дает возможность собирать
используемые растворы. Во избежание загрязнения подпочвенных и поверхностных вод
выбирают непроницаемые для воды участки. Отвалы, образующиеся в результате работы
землеройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров.
Самым большим в мире отвалом является Бингхэм-Каньон (≪Кеннекотт Коппер
Корпорэйшн≫). Он вмещает около 3,6-1012 кг породы.
Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной
кислотой до рН 1,5—3,0, путем ее распыления, полива или инъекции через трубы,
помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или выщелачиватель,
просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и
углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных
гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях
содержание Thiobacillus ferrooxldans превышает Ю6 клеток на 1 кг породы и на 1 мл
выщелачивающего раствора. Этот организм активно окисляет растворимые ионы
двухвалентного железа и воздействует на серу- и железосодержащие минералы.
Активность Т. ferrooxidans необходима для оптимального выщелачивания. При рН ниже
3,5 окисление железа перестает зависеть от рН. Следовательно, при кислых значениях рН,
необходимых для выщелачивания отвалов, и в отсутствие Т. ferrooxidans железо
оставалось бы в двухвалентном состоянии и экстракция меди из сульфидных минералов
была бы минимальной. Т. ferrooxidans ускоряет окисление двухвалентного железа в 106
раз. При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера.
Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на аз__ них со стороны
трехвалентного железа. Т. ferrooxidans, присутствующая в количестве 103—105 клеток на
1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые
соединения серы и элементарную серу. Разрушение серы этим организмом приводит к
удалению маскирующего слоя серы, окружающего некоторые частицы минералов, и
усиливает процесс выщелачивания. Таким путем Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus
ferrooxidans совместно разлагают минералы сульфидной природы и являются мощным
окислителем для растворения медно-сульфидных минералов и образования серной
кислоты. Эта последняя создает благоприятную среду для деятельности микроорганизмов
и удерживает ионы двухвалентной меди в растворе.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 39 из 68
Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные
тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявлению необходимой активности
микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода.
Последнее достигается путем аэрирования выщелачивающего раствора; циркуляции
воздуха внутри породы способствует и особая форма отвалов (с гребнями или ребрами).
Иногда вертикально внутри отвала помещают трубы с отверстиями и через них продувают
сжатый воздух, способствующий протеканию биологических и химических реакций.
В выщелачиваемых отвалах происходит также много важных небиологических
реакций. Самой ценной с экономической точки зрения является окисление медносульфидных минералов образующимися биологическим путем ионами трехвалентного
железа [например, реакция (5)]. К другим небиологическим реакциям, протекающим в
выщелачиваемых отвалах, относятся гидролиз солей трехвалентного железа с
последующим осаждением основного сульфата трехвалентного железа,
Fe2 (S04 ) s + 2Н20 > 2Fe (ОН) (S04) + Н2 S04, (7)
растворение карбонатных минералов,
СаС03 -f Н2 S04 + Н20 > CaS04 + 2Н20 + С02, (8)
и твердофазные превращения, приводящие к образованию вторичных минералов.
Все эти реакции стабилизируют рН отвальных пород и выщелачивающего раствора на
нужном уровне.
Выщелачиваемые отвалы имеют значительные размеры. Это создает много
инженерных проблем и может препятствовать деятельности бактерий и протеканию
важных химических реакций. К таким проблемам относятся, во-первых, уплотнение
отвалов и образование осадков, которые затрудняют взаимодействие раствора с
минералами, во-вторых, попадание внутрь отвалов крупных минерализованных глыб,
мало подверженных разрушению, и в-третьих, повышение температуры отвалов за счет
протекания в них экзотермических реакций. Так, в Бинг-хэм-Каньоне было отмечено
повышение температуры выше 80 °С. При таких температурах тиобациллы
инактивируются, но может повышаться активность термофильных выщелачивающих
бактерий. Из отвалов были выделены ацидотермофильные штаммы ТН, близкие к
Thiobacillus, однако крайне термофильные штаммы Sulfolobus не обнаружены. Правда, это
не исключает их существования в подобных средах.
Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75—2,2 г меди в 1
л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с
использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае создают
условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция:
CuS04 + Fe° Cu° + FeS04. (9)
«Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В
последние годы для получения меди из раствора начали применять экстракцию
растворителями. Ионы меди из водной фазы экстрагируют органическими жидкостями,
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 40 из 68
только частично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из органического
растворителя.
2. Как и при выщелачивании меди в отвалах, при выщелачивании in situ часто
приходится осуществлять инженерные мероприятия, что отрицательно сказывается на
активности бактерий.
Выщелачивание in situ с успехом используют для извлечения урана из песчаниковых
формаций с низким содержанием рудного минерала. Выщелачивающие растворы вводят в
неразрушенное урансодержащее рудное тело через инъекционную скважину.
Эти растворы, содержащие химический окислитель (например, перекись водорода),
взаимодействуют с минералом, окисляя уран и переводя его в растворимую форму. Далее
урансодержащие растворы выкачивают из минерализованной зоны через выходные
скважины (рис. 5.2). На западе США и в южном Техасе, где широко практикуется
выщелачивание in situ, применяют карбонатные растворы с нейтральным рН.
По всей видимости, бактерии в этом процессе экстракции не участвуют. Технология in situ
находит применение не только при выщелачивании урана. Тот же подход возможен и при
экстракции других металлов, присутствующих в низких концентрациях в глубоко
залегающих месторождениях. Бактерии могут использоваться для выщелачивания
сульфидных минералов или для разрушения жильных минералов при извлечении
металлов с помощью других гидрометаллургических технологий. Большинство
исследований по использованию бактерий для выщелачивания in situ было проведено в
лаборатории при высоких давлении и температуре. Эти исследования показали, что
гидростатическое давление в 30,4 МПа (эквивалентное давлению на глубине в 3000 м) не
сказывается на жизнедеятельности железоокисляющих бактерий. Однако при закачивании
растворов на большую глубину ограничивающим фактором для использования бактерий
может оказаться гипербарический кислород.
Влияние высокой температуры, существующей на большей глубине, недостаточно
изучено. Не исключено также, что из-за более низкой проницаемости для бактерий
монолитных, сильно уплотненных включений в месторождениях эффективность
выщелачивания резко уменьшается. Эта возможность также не изучалась детально.
Несмотря на все эти пробелы в наших знаниях, можно утверждать, что достоинством
технологии in situ является то, что она представляет собой систему, в которой можно
контролировать много факторов, в том числе содержание кислорода и питательных
веществ, рН т д.
3.Чановое выщелачивание используется в горнорудной промышленности для
извлечения урана, золота, серебра и меди из окисных руд. Медные и урановые руды
сильно измельчают и смешивают с растворами серной кислоты в больших емкостях
(обычно размером 30X50X6 м) для перевода металла в растворимую форму. Время
выщелачивания, как правило, составляет несколько часов. Медь получают из кислого
раствора электролизом, уран — ионообменным путем или экстракцией растворителем.
Ферментация в чанах, а также в отстойниках с постоянным или предварительным
перемешиванием может с успехом применяться для бактериального выщелачивания
потому, что при этом легко контролировать факторы, влияющие на активность
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 41 из 68
микроорганизмов. К этим факторам относятся: размер частиц руды, ее качество,
плотность пульпы (масса руды на единицу объема раствора), рН, содержание углекислого
газа, кислорода, время удержания (время нахождения частиц в реакторе), температура и
содержание питательных веществ. Хотя руда и не стерилизуется, возможен строгий
контроль за видовым составом и количеством микроорганизмов. Чановое выщелачивание
создает
предпосылки
для
использования
специфических
штаммов
микроорганизмов
(например,
ацидотермофильных
бактерий) или
микробоввыщелачивателей, полученных методами генетической инженерии. Вначале чановое
выщелачивание применяли для руд с очень высоким содержанием металлов, однако эта
технология может использоваться и в случае материалов более низкого качества. При
этом следует учитывать экономические и технологические факторы.
4.Кучное выщелачивание применяют для химической экстракции урана, меди,
золота и серебра. При выщелачивании урана и меди руду измельчают и помещают на
специальные водонепроницаемые поверхности. При извлечении меди и урана кучи могут
содержать 10—50-108 кг руды и в высоту достигать 4,5—5,5 м. Вершины куч
выравнивают и наносят на них раствор серной кислоты. Новые кучи часто помещают
поверх уже существующих. Такой способ выщелачивания урана и меди сходен с
выщелачиванием отвалов; однако здесь используются более концентрированные растворы
серной кислоты, частицы породы меньше по размеру, а качество породы (содержание
металла в ней) выше. Кучное выщелачивание длится несколько месяцев, а для
выщелачивания отвалов требуются годы. Этот метод применим также для экстракции
золота и серебра из руд и даже из отходов, подобных шламу (пустая порода, остающаяся
после извлечения руды и размельчения). Чтобы обеспечить эффективное протекание
выщелачивающего раствора, тонко измельченный шлам должен быть подвергнут
агломерации (спекание в шарики). В щелочных растворах цианидов серебро и золото
образуют комплексы, которые затем отделяют от раствора с помощью активированного
угля. Кучное выщелачивание требует относительно небольших капиталовложений и
технического обеспечения и представляет собой легко реализуемую систему. Благодаря
небольшим масштабам операций при таком выщелачивании величину частиц породы,
размеры куч, контакт между раствором и частицами, аэрацию, рН, состав растворов
можно строго контролировать; с таким выщелачиванием хорошо сопрягаются процессы
биоэкстракции. Их использование расширяет возможности методов кучного
выщелачивания, позволяя осуществлять извлечение других металлов или проводить
предварительную биологическую обработку материала до начала обычных процессов
экстракции.
Одна из самых многообещающих возможностей бактериального выщелачивания —
использование его для удаления серы из угля перед сжиганием последнего.
Выщелачивающие бактерии легко катализируют растворение неорганической (пиритной)
серы, содержащейся в каменном угле; однако на органическую серу эти бактерии не
действуют. Были исследованы и другие бактерии, способные эффективно удалять
серусодержащие органические вещества из каменного угля.
5.В предыдущих разделах в общих чертах говорилось о практическом
использовании бактериального выщелачивания в настоящее время и в перспективе.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 42 из 68
Однако немедленное практическое применение бактериального выщелачивания
сдерживается поряду причин. Главное препятствие заключается в том, что процесс еще
плохо исследован как на опытных установках, так и в полевых условиях. Большинство
экспериментов было проведено в полупроизводственных условиях. Поэтому трудно
судить об экономической значимости процессов бактериального выщелачивания и
оценить технологические трудности, которые могут возникнуть при широкомасштабном
промышленном использовании микробиологических процессов. Обычно применяемые
процессы бактериального выщелачивания страдают также от недостатка хорошей
техники. Вполне вероятно, что создание специальной системы оптимизации
биологической активности сильно расширило бы .использование бактерий при
выщелачивании. К параметрам, которые должны при этом учитываться, относятся
температура, питательные вещества, содержание кислорода и углекислого газа, размер
частиц, качество минерала, плотность пульпы (масса частиц на единицу объема
выщелачивающего раствора), скорость протекания выщелачивающего раствора и рН.
Процессы бактериального выщелачивания нередко протекают медленнее, чем
химические процессы, в которых мелкие частицы обрабатывают сильными реагентами
при повышенных температуре и давлении. При экстракции металлов из ряда минеральных
концентратов быстрые химические процессы экономически более выгодны. Однако в тех
случаях, когда при обработке минералов стоимость химических реагентов и
энергозатраты очень высоки, а скорость переработки не имеет решающего значения,
правильно выбранные, технологичные способы бактериального выщелачивания могут
оказаться предпочтительными. При бактериальном выщелачивании сульфидных
минералов в системе должно образовываться достаточное количество кислоты и не
содержаться слишком много минералов, поглощающих кислоты. Для бактерий,
окисляющих железо и серу, требуется кислая среда. Поэтому для переработки непригодны
руды и отходы, поглощающие кислоты в большом количестве. Для выщелачивания
металлов in situ бактерии применялись мало. При подземном выщелачивании с помощью
растворов следует принимать во внимание такие факторы, как влияние на активность
бактерий повышенного гидростатического давления и гипербарической оксигенации.
Гидростатическое давление возникает в результате введения выщелачивающих растворов
под давлением, а также за счет веса столба жидкости, а гипербарическая оксигенация
обусловлена введением кислорода под давлением в рудное тело in situ для регенерации
окисляющего агента. Однако при использовании бактерий кислород в такой концентрации
не нужен, поскольку эти организмы сами регенерируют окислитель. Кислород требуется
лишь в концентрациях, необходимых для обеспечения жизнедеятельности
микроорганизмов. Первоначально технология выщелачивания in situ применялась для
пород типа песчаников; при этом размельчать породу не было необходимости, поскольку
она обладала высокой проницаемостью для выщелачивающего раствора. Для
выщелачивания такого типа микроорганизмы не использовались. При бактериальном же
выщелачивании встает вопрос: не будет ли рост бактерий на ненарушенном массиве
пород ограничивать проницаемость и не уменьшится ли при этом циркуляция раствора?
Такая проблема вряд ли возникнет при выщелачивании рудных тел in situ,
предварительно разрушенных взрывом или иным способом.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 43 из 68
Если какой-то микробиологический процесс отработан для выщелачивания металла
(металлов) из определенного рудного тела, то вряд ли его удастся применить без
изменений для получения оптимальных результатов при выщелачивании подобного
металла из другого рудного тела. Даже если металлы исходны, тип рудного минерала и
содержащей его породы вполне могут различаться. Выщелачивающие бактерии
действуют на разные минералы неодинаковым образом. Известно, например, что
некоторые халькопириты огнеупорнее других, и такие огнеупорные руды устойчивее к
прямому действию микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. В связи с
огромными объемами перерабатываемого материала выщелачивание проводят под
открытым небом, а не в помещениях со строго контролируемыми условиями. Поэтому
микроорганизмам приходится ≪работать≫ при разных погодных условиях, существенно
различающемся насыщении минеральными солями и неодинаковых рН. Ни система в
целом, ни рудное тело не бывают стерильными: в них всегда присутствуют природные
бактерии. Специально подобранные или мутантные штаммы выщелачивающих бактерий
должны хорошо сочетаться с природной микрофлорой. Несомненно, что с помощью
генетических манипуляций могут быть получены штаммы с повышенной способностью
окислять железо или минералы, а также переносить высокие концентрации металлов или
кислот. Работы в этом направлении ограничиваются неполнотой наших знаний обо всех
интересующих нас микроорганизмах и о деталях механизма разложения сульфидных
минералов; кроме того, мы почти ничего не знаем о генетических особенностях
выщелачивающих микроорганизмов (например, об их хромосомных картах, наличии и
функциях плазмид, способности к трансформации или переносу плазмид). Здесь имеется
широкое поле для исследований, очень важных с точки зрения биотехнологии.
Вопросы для самоконтроля:
1. Микроорганизмы, используемые для выщелачивания меди и урана.
2. Бактериальное выщелачивание in situ.
3. Биохимические реакции при выщелачивании меди и урана.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988
Лекция №13. Иммобилизация металлов микроорганизмами.
План:
1.
Превращение и накопление.
2.
Перевод в летучую форму.
3.
Внеклеточное осаждение.
4.
Внеклеточное комплексообразование.
1. Побуждаемая строгими законами об охране окружающей среды,
необходимостью извлечения ценных металлов и очистки промышленных вод для их
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 44 из 68
повторного использования, горнорудная промышленность все шире применяет новые
физико-химические технологии для очистки сточных вод. Слишком часто эти технологии
оказываются крайне дорогостоящими и неэффективными. Все больше фирм приходят к
убеждению, что для очистки сточных вод можно использовать биологические процессы,
причем эти процессы могут быть более экономичными и эффективными, чем обычно
применяемые методы. Некоторые промышленные предприятия широко используют эти
процессы для удаления из рудничных сточных вод примесей неорганических ионов.
Применяемые системы обычно представляют собой 'большие отстойники или проточные
пруды с медленным течением, в которых растут водоросли и микроорганизмы. Эти
организмы накапливают растворенные металлы и их частицы или •образуют продукты,
переводящие примеси в нерастворимую форму. Обычно используемые процессы
биологической очистки сточных вод мало подвержены прогрессу, эту технологию можно
рассматривать как несложную. Исследования последних лет показывают, что многие
микроорганизмы способны накапливать металлы в больших концентрациях и содержат
структурные компоненты, которые могут избирательно связывать специфические ионы.
Селекция микроорганизмов, способных накапливать металлы, и создание технически
более совершенных систем в целях использования этих организмов для удаления всех или
отдельных загрязняющих ионов, присутствующих в малых количествах в больших
объемах сточных вод, могли бы получить широкое применение в горнодобывающей
промышленности и в других отраслях индустрии, где образуются сточные воды.
Извлекать металлы из окружающей среды способны все •микроорганизмы, поскольку
такие металлы, как железо, магний, цинк, медь, молибден и многие другие входят в состав
ферментов или пигментов, подобных цитохромам или хлоро•филлам. В ряде случаев
металлы накапливаются микроорганизмами в значительных количествах; в бактериальной
клетке могут содержаться ионы калия в концентрации 0,2 М, даже ≪ели в среде калий
присутствует в концентрациях 0,0001 М и ниже. В ходе эволюции у микроорганизмов
сформировались системы поглощения, специфичные к определенным металлам и
способные к значительному их концентрированию. В результате метаболических реакций,
протекающих у микроорганизмов, могут происходит различные превращения металлов:
выделяемые в окружающую среду продукты метаболизма способны образовывать
комплексы с металлами или осаждать их из растворов; некоторые металлы могут
переводиться с их помощью в летучие формы и удаляться из раствора; металлы могут
окисляться или восстанавливаться. Так, в разделе, посвященном выщелачиванию
металлов, мы уже рассматривали окисление железа [Fe(II)—>-Fe(III) + е~]. Fe(III) может
также восстанавливаться до Fe(II) при дыхании ряда бактерий. За счет использования
восстановительных эквивалентов дыхания может происходить восстановление селената,
селенита, теллурата и теллурита до свободных металлоидов; таким путем осуществляется
иммобилизация этих металлоидов.
Ниже перечислены основные механизмы иммобилизации, комплексообразования
или других способов удаления металлов из растворов микроорганизмами:
1) перевод в летучую форму;
2) внеклеточное осаждение;
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 45 из 68
3) внеклеточное комплексообразованиеи последующее накопление;
4) связывание клеточной поверхностью;
5) внутриклеточное накопление.
Понятно, что указанные процессы могут перекрываться, поскольку один из них
способен давать начало другому или быть его составной частью.
2. В настоящее время твердо установлено, что многие микроорганизмы способны
метилировать ртуть. Это приводит к превращению ионов Hg(II) из осадка или раствора в
метилртутные соединения (например, диметилртуть), которые уходят в атмосферу. Такое
превращение может быть важным этапом в природном круговороте ртути. Возможно
также микробиологическое метилирование других металлов, например мышьяка, теллура
и селена, которые таким способом удаляются из почвы и воды. Подобные процессы
могут играть важную роль в природных циклах этих металлов и иметь значение,
например, при
•образовании обедненных селеном почв или при удалении токсичных металлов при
обработке сточных вод. Как бы то ни было биотехнологические исследования,
направленные на уменьшение или увеличение подобной микробной активности,
представляются весьма перспективными.
3.Металлы могут иммобилизовываться и накапливаться в почвах и в осадочных
породах за счет связывания с продуктами метаболизма микробов или с
накапливающимися органическими .остатками. Эти процессы издавна использовались
человеком при очистке сточных и промышленных вод. При обычной очистке сточных вод
образующийся ил содержит целый набор металлов, перешедших из воды. Живые клетки и
органические
остатки, присутствующие в отстойниках или проточных прудах, •будут
накапливать эти металлы, которые впоследствии оказываются в осадках. Для удаления
металлов из промышленных стоков или из рудничных вод в горнорудной
промышленности используют пруды, в которых ≪цветут≫ водоросли (их усиленный рост
стимулируется органическими или минеральными питательными веществами, которые
содержатся в воде).
Один из наиболее удачных примеров внеклеточного осаждения — перевод
металлов в осадок путем осаждения сероводородом, образуемым сульфатредуцирующими
бактериями. Эти бактерии обитают в анаэробных средах во всех частях земного шара (в
озерных, океанических и некоторых речных осадках, бескислородных почвах, болотах и т.
п.), и с их помощью происходит сопряжение окисления органических веществ с
восстановлением сульфатов до сульфидов:
H2 S 0 4 + 8 H = H2S + 4H20. (10)
Эта реакция может приводить к осаждению металлов в почвах и осадках, например
в виде пирита (FeS2). В масштабе геолохического времени таким способом могут
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 46 из 68
накапливаться большая летучая форма [например.__ сульфидов ведет разложение
биомассы водорослей в осадочных породах. Оба этих процесса осуществляются в природе
и используются человеком в относительно небольших масштабах, если говорить об
общем количестве загрязненной металлами воды, которая нуждается в очистке.
Стадия 1: рост и отмирание водорослей и осаждение биомассы
Отмершие водоросли оседают на дно водоема (стадия 1) и при их
последующем разложении под действием микроорганизмов образуется сероводород,
осаждающий
металлы (стадия 2).
Потенциальные возможности применения биотехнологии для бактериального
восстановления сульфатов в целях очистки вод от металлов, а также для извлечения
металлов из разбавленных растворов совершенно очевидны. В одноступенчатой системе в
хемостат с культурой сульфатредуцирующих бактерий непрерывно поступает раствор,
загрязненный каким-либо металлом и содержащий сульфат и питательные вещества типа
лактата или в зависимости от природы используемой бактерии углеводород либо
органическую кислоту.
Для одновременного разложения
применять смешанные культуры бактерий.
сложных
органических
остатков
можно
При более строго контролируемом процессе для получения сероводорода следует
использовать раздельные культуры сульфатредуцирующих бактерий; при этом
сероводород необходимо прокачивать сквозь загрязненную металлом воду, протекающую
через осадочный чан. Сульфид металла будет осаждаться, а поток свободной от металла
(или по крайней мере сильно очищенной) воды — вытекать из резервуара. Потери
избыточного сульфида можно контролировать, меняя соотношение между поступающими
сульфатом и металлом. Однако некоторое количество избыточного-растворимого
сульфида все-таки неизбежно образуется. Его можно удалять путем спонтанного
химического окисления, если поддерживать на соответствующем уровне количество
растворенного сульфата. Альтернативным решением является окисление сульфида
серуобразующими фотосинтезирующими бактериями в трехступенчатом процессе. Далее
возможно экономически; выгодное получение элементарной серы. Излишки
газообразного сероводорода легко вновь использовать в цикле.
4.Некоторые
микроорганизмы
синтезируют
специфические
химические
соединения, обладающие высоким сродством к определенным металлам. Наиболее
известны соединения, образующие комплексы с железом. Молибден, ванадий и другие
микроэлементы, участвующие в метаболизме бактерий, также способны поступать в
клетку в форме внеклеточных комплексов. Хотя эти комплексообразующие соединения не
осаждают металлы, на их основе может быть создана новая технология извлечения
отдельных металлов из растворов. Для иммобилизации растворенных металлов пригодны
комплексообразующие агенты, выделенные из культур микроорганизмов, а также
химически синтезированные соединения, имитирующие эти агенты. Эффективность
связывания металлов с подобными соединениями можно увеличить путем повышения их
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 47 из 68
емкости по отношению к данным металлам, увеличения скорости соответствующих
реакций и специфичности комплексообразующих агентов. Для этого можно попытаться
синтезировать химическим путем такие агенты, для :которых в качестве моделей служили
бы природные продукты.
В любом варианте выбор организма и процесса экстракции должен определяться
основными свойствами аккумулирующих металл микробных систем; самое главное —
четкое понимание биохимических процессов, характерных для данного микроорганизма.
Микроорганизмы способны концентрировать металлы одним из следующих способов:
1) внеклеточное накопление участвующих или не участвующих в метаболизме
металлов путем связывания или осаждения их на клеточной стенке или мембранах;
2) внутриклеточное накопление нужных для метаболизма металлов (например, К,
Fe, Mg, Mo, следы Си, Ni);
3) внутриклеточное накопление относительно больших количеств несущественных
для метаболизма металлов (например, Со, Ni, Си, Cd, Ag) в основном с помощью
механизмов, служащих для накопления существенных для метаболизма металлов.
Поглощение некоторых металлов дрожжами и бактериями осуществляется почти
исключительно за счет поверхностного связывания; примером служит накопление урана
дрожжами или свинца у Micrococcus. Внутриклеточное накопление может
сопровождаться незначительным поверхностным связыванием; пример тому —
накопление калия.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.:
Мир, 1988
Лекция № 14. Биоповреждение металлов
План:
1. Определение биоповреждений.
2. Классификация процессов биоповреждения
1.Термин ≪биоповреждение≫ вошел в наш язык лишь в последнее время, но
обозначаемые им процессы известны человеку издавна, с тех пор, как он начал
перерабатывать природное сырье и заботиться о сохранности пищевых продуктов.
Организмы, ответственные за процессы биоповреждения, сопровождали нас и в еще более
отдаленном прошлом, будучи существенным звеном в круговороте элементов биосферы.
Человек рано осознал необходимость защиты сырья и пищевых продуктов от возвращения
их в этот круговорот и стал использовать для замедления жизнедеятельности
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 48 из 68
микроорганизмов консервирование или другие защитные способы. Консервирование как
эмпирический процесс существует несколько тысячелетий, и имеется множество
описаний его использования.
Под биоповреждением понимают ≪любое нежелательное изменение свойств
какого-либо материала, вызванное жизнедеятельностью различных организмов≫. В
широком смысле это процесс, приводящий к уменьшению ценности любого материала.
При этом имеются в виду те свойства данного материала, которые обусловливают
его использование в определенных целях. По своей природе эти изменения могут быть
механическими, физическими или касаться эстетических свойств материала и не
обязательно приводят к его химическому разрушению.
Последний момент важен для определения различий между биоповреждением и
биоразложением (биодеградацией). ≪Биоповреждение ≫ — термин более широкий,
≪биоразложение≫ — ограниченный, относящийся только к разрушению какого-либо
продукта (часто сырья), попавшего в окружающую среду (например, нефтепродуктов,
пестицидов или детергентов). В общем смысле биоповреждение — процесс
нежелательный, а биоразложение обычно рассматривается как желательный.
Употребление слова ≪организм≫ предусматривает участие в этом процессе
представителей животного и растительного мира; так оно и есть на самом деле.
Микроорганизмы как факторы биоповреждения широко изучались и хорошо
представлены в литературе. Однако нельзя недооценивать роль насекомых, грызунов,
зеленых растений (в том числе водорослей) и даже птиц.
2.Использование термина ≪материалы≫ в определении биоповреждений означает,
что речь идет о ≪неживом≫, в отличие от патологии, изучающей различные
нежелательные процессы в живой материи. Различия эти зачастую очень тонки, иногда
наблюдается перекрывание в том смысле, что организмы, обнаруживаемые в живой
материи или органических остатках, сохраняют свою жизнедеятельность и в неживой
материи, уменьшая ценность данного продукта в процессе хранения. Однако во многих
случаях со смертью организма-хозяина изменяются условия питания и клеточные
компоненты, что приводит к изменению и типа организма, ≪колонизирующего≫ данный
материал. Так, говоря о действии грибов на хлебные злаки, мы разграничиваем ≪полевые
грибы≫ и ≪грибы хранилищ≫.
Условно можно выделить три типа биоповреждений , которые часто в
значительной мере перекрываются.
Классификация типов биоповреждений
1. Механический
2. Химический
а) ассимиляционный
б) диссимиляционный
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 49 из 68
3. Засорение и загрязнение
Повреждение ≪несъедобных≫ материалов (например, свинцовых труб,
пластмассовых покрытий) грызунами и насекомыми (погрызы, сквозные отверстия).
Повреждения дорожных покрытий, и стен, вызванные ростом растений.
Использование в качестве источника питательных веществ субстратов,
содержащихся в тех или иных материалах (например, целлюлозы, древесины или
кератина шерсти)
Продуцирование организмом какого-либо продукта (например, кислоты или
токсичного вещества), вызывающего коррозию материала или другие повреждения, в
результате которых материал становится непригодным для использования Засорение
трубопроводов; обрастание ракушками и водорослями корпуса судов; коррозия и
потускнение декоративных покрытий и пластиковых занавесей в результате роста грибов
не на самом материале, а на поверхностных загрязнениях Об их наличии очень полезно
знать при выборе направления исследований или при разработке рекомендаций,
касающихся условий хранения продуктов и материалов.
Рекомендуемая литература:
1. Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж.
Вейза. – Л.: Химия, 1990. – 384с.
Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир, 1988
Лекция № 15. Материалы, подверженные биоповреждениям.
План:
1. Пищевые продукты.
2. Целлюлоза.
3. Продукты животного происхождения
1.При описании биоповреждений легче всего проводить их классификацию по типу
продукта. Однако это оказывается затруднительным, если мы имеем дело со сложными
продуктами, например с красками, где встречаются комбинации исходного сырья, такого
как целлюлоза и синтетический полимер; здесь классификация по типу продукта
невозможна. Было показано, что среда, в которой хранится и используется данный
продукт, часто оказывает заметное влияние на организмы, которые в нем обитают, и на
активности этих организмов. В следующих разделах мы вкратце рассмотрим продукты,
подвергающиеся биоповреждениям. В тех странах, где наиболее остро стоит
продовольственная проблема, особенно велики и потери сырья после уборки урожая.
В развитых странах продукты различными способами защищают от грибов,
насекомых и грызунов, так что потери сводятся к минимуму. При хранении зерна
необходимо использовать различные химические и физические способы защиты,
например пестициды и высушивание. Много неприятностей причиняет присутствие
микотоксинов в продуктах, которые были заражены грибами, часто на ранних стадиях
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 50 из 68
хранения. Это может приводить к браковке крупных партий зерна, тем более если оно
используется в качестве корма. Особенно тщательной должна быть защита от заражения
готовых продуктов. Упаковка может приводить как и подавлению роста
микроорганизмов, так и к его стимулированию. Использование немногочисленных
химических консервантов регулируется в соответствии с их химической природой
законодательным путем.
2.Целлюлоза в своей исходной форме, в виде различных волокон и древесины,
столетиями служила сырьем для получения многих материалов и продуктов. Специалисты
по защите материалов постоянно занимались вопросами сохранности изделий из
материалов на основе целлюлозы, и сегодня результаты этих исследований широко
используются в деревообрабатывающей и текстильной промышленности. Организмы,
расщепляющие целлюлозу, составляют лишь небольшой процент от общего числа
известных видов грибов и бактерий; несмотря на это, разрушение материалов на основе
целлюлозы представляет собой весьма распространенное явление и в соответствующих
условиях может происходить очень быстро. В земле при 25 °С хлопчатобумажная ткань
полностью теряет сг.ою прочность за 10 сут. Насколько нам известно, за разрушение
целлюлозы ответственны скорее всего грибы. Условия внутри целлюлозных материалов
(относительная влажность меньше 90%, очень низкое содержание азота, кислый рН) часто
оказываются благоприятными для их развития. Разветвленные гифы грибов с легкостью
проникают сквозь клеточные стенки, ближе к целлюлозе, обычно тесно связанной с
лигниновой и гемицеллюлозной матрицей. Определенную роль, несомненно, играют и
бактерии: они наверняка участвуют в разрушении пектиновых слоев и углублений в
древесине мягких пород, что приводит к проникновению внутрь древесины воды и
бактерий. Подверженность древесины биоповреждениям обусловлена характером
распределения в ней питательных веществ. Если древесина соответствующим образом не
просушена, а заболонь не срезана для предотвращения миграции питательных веществ, то
во влажных условиях может развиться ее голубое окрашивание и начаться поверхностное
повреждение. Для повышения качества или улучшения тех или иных свойств древесины
ее можно химически модифицировать. Повышенной устойчивостью к микроорганизмам
(видимо, из-за уменьшения гидролизуемости) обладают ацетат целлюлозы, вискоза и
различные
замещенные
производные
целлюлозы
(например,
карбоксии
этоксицеллюлоза). При введении в эмульсии замещенные производные целлюлозы
действуют как наполнители и агенты, влияющие на вязкость.
3.Большинство продуктов животного происхождения, чувствительных к
биоповреждениям, имеет белковую природу. К ним относятся шкуры, шерсть и клеи.
Бактерии и грибы часто оказывают неблагоприятное воздействие на шкуры и шерсть уже
на ранних этапах их обработки. Более того, из-за большой загрязненности свежих шкур
или шерсти их порча может начаться в течение 48 ч, еще на бойне или в помещении для
стрижки. Для предотвращения этого процесса шкуры дубят, а шерсть обезжиривают.
Однако при некоторых способах дубления шкуры вымачивают вначале в воде. Если такое
вымачивание проводится при повышенных температурах и продолжается длительное
время, происходит размножение бактерий. В коже, используемой для изготовления
книжных переплетов, нередко бывает повышено содержание углеводов, что способствует
развитию плесени при хранении в условиях повышенной влажности. В целом шерсть
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 51 из 68
наиболее чувствительна к бактериям во время обработки, а клеи могут разрушаться как
при хранении в различных емкостях, так и после высыхания и образования пленки.
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Kelly D. P., N orris P. R., Brierley C. L. (1979). Microbiological methods for the
extraction and recovery of metals. In: Microbial Technology: Current State
Future Prospects (eds. Bull. А. Т., Ellwood D. C. and Ratledge C ) , Cambridge
University Press, Cambridge.
Лекция № 16. Материалы, подверженные биоповреждениям.
План:
1.
2.
3.
4.
Поверхностные покрытия
Резины и пластмассы.
Топлива и смазочные материалы.
Металлы и камни.
1.Поверхностные покрытия (краски, различные типы лаков) играют двоякую роль:
они выполняют декоративную функцию и защищают покрываемую поверхность от
вредных воздействий среды, в том числе и от микроорганизмов. Из-за постепенного
отказа от введения свинца в состав красок и широкого распространения эмульсионных
покрытий возникла проблема биоповреждения самих красок. Такое повреждение
происходит как при хранении красок в емкостях, так и после нанесения их на поверхность
и высыхания с образованием пленки. Большинство исследований в этой области
направлено на создание эффективных защитных систем, которые действовали бы все то
время, пока существует данное покрытие. Краски содержат пигменты, связывающие
вещества, эмульгаторы, масла, смолы и смачивающие агенты; они могут быть растворены
в воде или в специальных растворителях. Некоторые из этих ингредиентов, например
казеин, крахмал, целлюлоза и пластификаторы, могут разрушаться микробами, а
применение альтернативных, устойчивых к микробному разрушению компонентов
зачастую невозможно. Развитие микроорганизмов в пленках очень сильно зависит от
факторов окружающей среды: температуры, влажности, наличия на поверхности
питательных веществ (например, удобрений, приносимых ветром). Повреждения в
емкостях часто связаны с жизнедеятельностью бактерий, но могут быть обусловлены и
развитием грибов. Кроме того, в жидких эмульсионных красках могут оставаться
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 52 из 68
внеклеточные ферменты, например входящие в состав целлюлазной системы; эти
ферменты способны снижать вязкость эмульсии.
2. Резины и пластмассы представляют собой материалы, содержащие каучук или
какой-либо синтетический полимер. До 50% их состава может приходиться на долю
добавок, используемых в качестве пластификаторов, антиоксидантов и веществ,
защищающих данный материал от гидролиза и УФ-света. Кроме того, добавки служат
наполнителями и пигментами. Многие из них чувствительнее к повреждениям, чем сам
полимерный ≪скелет≫. Так, поливинилхлорид (ПВХ) в непластифицированной форме
очень устойчив к биоповреждениям, однако применение его как такового ограничивается
тем, что он не пластичен. Для придания такому материалу пластичности в него вводят
пластификатор, которым часто служит сложный эфир органической кислоты, однако этот
же пластификатор повышает чувствительность материала к биоповреждениям.
Природные каучуки состоят из регулярно повторяющихся изопреновых остатков,
подверженных окислению, в результате которого возрастает вероятность разрушения их
под действием микроорганизмов. Введение поперечных сшивок и добавление
антиоксидантов замедляют этот процесс. Были созданы синтетические каучуки с
улучшенными свойствами, в том числе устойчивые к биоповреждениям. Очень устойчивы
к действию микробов силиконовые, нитрильные и неопреновые резины.
В целом синтетические полимеры, используемые в качестве пластмасс (такие, как
полиэтилен, полистирол и ПВХ), сами по себе устойчивы к микроорганизмам. Однако
некоторые из полимеров, применяемых все более широко, оказались чувствительными к
ним. Таковы полиуретаны—нечетко ограниченное семейство полимеров, выделяемое по
признаку наличия уретановой группировки; молекула их содержит также замещенные
мочевинные, биуретовые, амидные и аллофанатные группировки.
Кроме того, для придания такому полимеру эластичности в него химическим путем
вводят простые и сложные эфирные группировки. Большая часть всех этих группировок в
соответствующих условиях чувствительна к химическому, а также, вероятно, к
ферментативному гидролизу. Видимо, подверженность гидролизу определяется
конфигурацией молекулы; известно также, что сложноэфирные связи особенно легко
гидролизуются микроорганизмами. По крайней мере в одном случае было показано, что
вероятность биоповреждения уменьшается в результате использования соединений,
препятствующих гидролизу. Тем не менее наши знания относительно путей расщепления
полиуретанов остаются далеко не полными. Высокая износоустойчивость полиуретанов и
их стойкость к истиранию гарантировали им прочное место на рынке пластмасс, и
маловероятно, что в ближайшем будущем им будет найдена замена.
3.К этой группе веществ относятся прежде всего фракции нефти с четко
выраженными гидрофобными свойствами. При их контакте с водой может происходить
целый ряд процессов с участием микроорганизмов. Подобно пластмассам, эти продукты
содержат многочисленные добавки, улучшающие их свойства, которые повышают
чувствительность такого рода продуктов к биоповреждениям.
В качестве топлива для реактивных самолетов широко используют керосин. В
емкостях для его хранения и в топливных баках самолетов неизбежно присутствует вода,
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 53 из 68
поэтому на поверхностях раздела топливо — вода и вода — металл начинается рост
грибов. При отсутствии контроля развивающиеся грибы отделяются от поверхности и
попадают в топливную систему. Это приводит к засорению фильтров и топливопроводов
и тем самым к искажениям показаний приборов. Из сред подобного рода неоднократно
выделяли особый гриб Cladosporium resinae. Перемещение топлива внутри топливных
систем самолета увеличивает аэрацию, а в ультразвуковом самолете топливо служит
тепловым амортизатором. Внутри некоторых топливных баков температура доходит до
55°С. По-видимому, все это способствует росту термофильных грибов.
Более тяжелая фракция нефти (масла) используется промышленностью в
гидравлических системах для их смазки, а также применяется для облегчения
механической обработки металлов на токарных станках и при шлифовании. Попадание
воды в такие системы приводит к их повреждению либо в результате заклинивания из-за
снижения эффективности смазочного материала, либо в связи с началом коррозии,
вызываемой кислыми промежуточными продуктами жизнедеятельности микробов. В
металлообрабатывающей промышленности важнейшие проблемы связаны с микробным
заражением рабочих жидкостей; оно вызывает расслоение эмульсий, коррозию
обрабатываемых деталей и повышенный износ токарных станков. Относительная роль
отдельных микроорганизмов в биоповреждениях масел подобного типа до конца не
изучена. Однако в подходящих условиях, видимо, можно легко выделить организмы,
способные к прямому использованию данного масла, разрушению эмульгатора и
образованию сероводорода.
Строгих доказательств связи между активностью определенных микроорганизмов
и процессами коррозии не существует. Возможны три механизма коррозии: образование
корродирующих веществ (кислоты, сероводород, аммиак); образование ячеек с различной
аэрацией; катодная деполяризация. Все это приводит к_ появлению ржавчины, а затем к
разъеданию стенок емкостей для хранения горючего, имеющих водный отстой, и баков
для самолетного топлива, а также к образованию в водопроводных трубах пробок,
затрудняющих ток воды. Для защиты от коррозии применяются обычные методы, в том
числе механические ингибиторы, поверхностные покрытия и анодная защита.
4.Камни подвержены воздействиям многочисленных химических и иных факторов
окружающей среды, способствующих их эрозии. Проблема биоповреждений камня
возникает в связи с применением его в строительстве или для изготовления памятников,
когда необходимо сохранить данную конструкцию. Как и в случае металлов,
продемонстрировать непосредственное участие микроорганизмов в подобных процессах
разрушения крайне трудно. Тем не менее было предложено несколько механизмов.
Первый из них — механическое воздействие: развитие микроорганизмов способствует
накоплению воды, замерзание и оттаивание которой приводит к разрушению
поверхностей.
Второй механизм состоит в расширении и сжатии микробных клеток, а третий в
образовании хелатных комплексов между минералами и органическими кислотами,
ыыделяемыми микробами. Было показано, что бактерии могут переводить в раствор
нерастворимые фосфаты и силикаты за счет образования 2-кетоглутаровой кислоты.
Видимо, в разрушении камней существенную роль играют не упоминавшиеся до сих пор
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 54 из 68
лишайники, что может быть обусловлено их способностью к сжатию и расширению
изменение влажности от 15 до 300% за 2—3 ч) при высушивании или увлажнении и к
проникновению внутрь пород. Недавно были изучены спилы пород, населенных
лишайниками; показано, что гриб-симбионт способен глубоко в них проникать и
избирательно растворять минеральные компоненты.
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Kelly D. P., N orris P. R., Brierley C. L. (1979). Microbiological methods for the
extraction and recovery of metals. In: Microbial Technology: Current State
Future Prospects (eds. Bull. А. Т., Ellwood D. C. and Ratledge C ) , Cambridge
University Press, Cambridge.
Лекция № 17. Биологические методы получения удобрений и кормов для животных
План:
1.Удобрения.
2.Корма для животных
1.Потребность в более дешевых высококачественных белках животного
происхождения непрерывно возрастает, а число работников сельского хозяйства,
призванных удовлетворять эту растущую потребность, все время уменьшается. Для
разрешения этого противоречия нужно было бы применять более интенсивные методы
землепользования, и тогда мы будем получать все больше концентрированных отходов,
которые в принципе можно применять как удобрения. Однако за последние 100 лет
масштабы использования отходов животноводства в качестве удобрений уменьшились; на
смену им пришли фосфорные и азотные удобрения, при получении которых используется
ископаемое топливо. В Англии значительную часть сельскохозяйственной продукции (до
40% от общей стоимости) получают именно за счет применения химических удобрений.
Однако цены на такие удобрения все время растут, и становится экономически выгодным
использование отходов животноводства в качестве органических удобрений.
Безопасность отходов как удобрений и пути их использования определяются
составом. Кроме того, перед внесением навоза в почву из него путем анаэробного
разложения можно получать энергию . Определить изменение стоимости удобрения в
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 55 из 68
результате такого разложения трудно; тем не менее ясно, что удобрения на основе
переработанного навоза достаточно дешевы.
2.В Англии в результате человеческой деятельности образуется 25-109 кг отходов в
год. Если учесть, что при интенсивном животноводстве образуется еще 180-109 кг
отходов, то становится ясно, что при переработке всех этих отходов мы можем получить
многие тонны активного ила. В процессе переработки отходов при участии
микроорганизмов образуется много микробного белка, который можно повторно
использовать как корм для скота, поскольку 30—40% сухой массы выросших клеток —
это неочищенный белок. Идеальным результатом такого повышения качества ила
сточных вод путем экстракции белка должен быть безвредный, чистый, экономичный
корм для скота. Кроме того, в иле образуются и другие ценные биологические
соединения, например аминокислоты и витамины.
Далее представлена концентрация аминокислот:
Концентрация аминокислот в белковом продукте из активного ила Аминокислота
г/100 г пробы
Аспарагиновая кислота 2,86
Серии 1,4
Глутаминовая кислота 3,62
Пролин 1,28
Глицин 2,26
Алании 2,95
Цистеин 0,25
Тирозин 0,72
Треонин 1,86
Валин 2,19
Метионин 0,25
Изолейцин 1,42
Фенилаланин 2,07
Гистидин 0,69
Лизин 1,68
Аргинин 1,59
Триптофан1,5
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 56 из 68
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Kelly D. P., N orris P. R., Brierley C. L. (1979). Microbiological methods for the
extraction and recovery of metals. In: Microbial Technology: Current State
Future Prospects (eds. Bull. А. Т., Ellwood D. C. and Ratledge C ) , Cambridge
University Press, Cambridge.
Лекция № 18. Биологическая переработка промышленных отходов
План:
1. Промышленные отходы.
2. Использование специтфичных микроорганизмов.
3. Отходы молочной промышленности.
1.Промышленные отходы можно в первом приближении разделить на две
категории: 1) отходы производств, основанных на использовании биологических
процессов (производство пищевых продуктов, напитков, ферментация); 2) отходы
химической промышленности. В первом случае отходы имеют различный состав и
обычно перерабатываются путем биологического окисления, как это делалось
традиционно в случае бытового мусора. Однако такой способ экономически невыгоден, и
в настоящее время широко обсуждается вопрос о возможности уменьшения объема
разбавленных сточных вод либо их непосредственного использования — трансформации
(для получения биомассы или других ценных продуктов) или же путем извлечения из них
ценных соединений.
В многочисленных и разнообразных отраслях химической промышленности
образуется большое количество отходов, причем многие из них с трудом поддаются
разрушению и длительное время присутствуют в среде. Поэтому часто перед обычной
биологической переработкой отходов бывает необходимо провести их предварительную
химическую или физическую обработку.
2.Использование
специфических
микроорганизмов
для
расщепления
ксенобиотиков при переработке отходов еще не нашло широкого применения в
промышленности, и тем не менее подобный подход представляется весьма
перспективным.
Это может быть: 1) деградация отдельных видов отходов in situ с помощью
специализированных культур микроорганизмов или их сообществ; 2) введение
специально подобранных культур в обычные системы переработки отходов; 3)
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 57 из 68
ликвидация и Обезвреживание разливов нефти; 4) извлечение металлов; 5) биологическая
очистка газов от пахучих и вредных соединений (меркаптанов, сероводорода, цианида,
хлорзамещенных углеводородов и т. д.); 6) получение биомассы из отходов; 7)
превращение отходов в метан.
В результате широкого применения человеком продукции химической
промышленности в окружающую среду попадают различные типы ксенобиотиков:
пластмассы (пластификаторы), взрывоопасные вещества, добавки, полимеры, красители,
поверхностно- активные вещества, пестициды и органические соединения — производные
нефти. Что касается бытового мусора"; то для его переработки созданы широко
применяемые системы, использующие активный ил и оросительные фильтры.
3.Рассмотрим методы биологической переработки промышленных отходов на
примерах молочной, бумажной промышленности и производства красителей.
Сыворотка является побочным продуктом сыроварения. Ее состав зависит от типа
используемого молока и вырабатываемого сыра. В высушенном или концентрированном
виде сыворотка применялась в качестве корма для животных; однако ее недостатком
является то, что она несбалансирована с точки зрения содержания питательных веществ: в
ней слишком высока концентрация минеральных веществ и лактозы. Разработаны
способы извлечения из сыворотки белков путем ультрафильтрадии, осаждения или
выделения с помощью ионного обмена. Из таких белков можно получать белковые
гидролизаты, используя для этого ферментеры. После извлечения белков получают
большие объемы фильтратов с высокими концентрациями лактозы (35—50 г/л),
минеральных веществ, витаминов и молочной кислоты, и встает проблема дальнейшего их
использования.
Если превратить лактозу в молочную кислоту при участии молочнокислых
бактерий, то мы получим источник углерода, который может сбраживаться дрожжами
(например, смешанными культурами Lactobacillus bulgaricus и Candida krusei). Возможно
и прямое сбраживание лактозы дрожжами Kluyveromyces fragilis или Candida intermedia.
После подобного сбраживания не обязательно отделять микроорганизмы от среды, объем
которой можно уменьшить и получить обогащенную белком сыворотку.
Из сыворотки получают не толко белковые продукты, но и — путем ферментации
— сырье для химической промышленности (например, этанол). Путем химического
гидролиза лактозы с последующим удалением глюкозы из раствора с помощью
ферментации можно получать галактозу. Альтернативный биологический путь —
использование мутантных дрожжей, лишенных р-галактозидазы. Такие мутанты
сохраняют способность к гидролизу лактозы и используют образующуюся глюкозу в
качестве источника углерода. В результате гидролиза лактозы фильтрат становится более
сладким; на опытных установках такой гидролиз осуществляют с помощью
иммобилизованной (5-галактозидазы ). Гидролизованный фильтрат не только находит
применение в пищевой промышленности, но может оказаться полезным и при решении
проблем, связанных с недостатком ферментов у некоторых животных-отъемышей и с
непереносимостью лактозы у человека. Из сыворотки получают и другие химические
соединения: лактозу, лактулозу, лактитол и лактобионовую кислоту.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 58 из 68
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Stafford D, ,A., 1982. Biological Treatment.of Organic Compounds and Solvents.
In: Safe Use of Solvents (eds. Collings A. J., Luxton S. G.), pp. 293—304,
Academic Press, London
Лекция № 18. Промышленная переработка отходов целлюлозно-бумажной
промышленности и красителей.
План:
1. Отходы целлюлозно-бумажной промышленности
2. Отходы от производства красителей
1.Волокнистый материал, применяющийся при производстве бумаги и других
продуктов, получают как из древесных, так и: из травянистых растений после
химического расщепления лигнина. Однако этот процесс сопровождается потерей
большого- количества древесины и образованием огромного количества отходов. Все это
должно стимулировать разработку альтернативной химической технологии.
В настоящее время применяют два процесса получения древесной пульпы.
Основной из них — это щелочная варка (сульфатный процесс), в результате которой
образуется темная сульфатная варочная жидкость. Эти отходы содержат трудна
перерабатываемые ароматические продукты расщепления лигнина и низкомолекулярные
органические кислоты (глюкоизоса-хариновую, молочную, уксусную и муравьиную). При
получении пульпы из смолистой древесины сосны образуются талловое масло и терпены,
широко использующиеся в промышленности. Сульфатную варочную жидкость не удается
перерабатывать биологическими способами, которые могли бы применяться в
промышленном масштабе; гораздо экономичнее упаривать эту жидкость и сжигать ее,
получая таким образом энергию из отходов.
Сульфатная варка целлюлозы применяется реже; она дает отходы следующего
состава: лигносульфонаты с ароматическими элементами (60%), сахара (манноза,
галактоза, глюкоза, ксилоза, арабиноза; 36%), уксусная кислота, метанол и фурфураль.
Эти жидкие отходы — хорошее сырье для ферментации благодаря высокому содержанию
в них углеводов. Их ферментация в широких масштабах начата в 1909 г. В настоящее
время традиционным методом удаления пентоз, гексоз и уксусной кислоты из таких
отходов служит их ферментация при участии дрожжей. Помимо этих традиционных
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 59 из 68
методов вскоре будут использоваться и новые процессы превращения отходов в грибной
белок с помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichum pulverulentum и Chaetomicum
cellulolyticum. Неподдающиеся переработке соединения можно концентрировать и
сжигать.
Лигносульфонаты применяют в качестве связывающих веществ и вспомогательных
средств при бурении; щелочным окислением при повышенном давлении их можно
превращать в ванилин. Вообще говоря, главное в переработке отходов целлюлознобумажной промышленности — это понижение энергозатрат, а какой химический принцип
при этом используется — менее существенно.
Основная экологическая проблема, порождаемая целлюлоз-яо-бумажной
промышленностью, — это очистка сточных вод, а также обработка конденсатов,
образующихся в испарителях и реакторах. Сточные воды осветляют путем нейтрализации
и отстаивания, окисления в одно- и двухстадийных установках с активным илом, в
аэрируемых отстойниках или путем сочетания биологических и химических способов
окисления. Эти методы пригодны для эффективного удаления соединений, подверженных
биодеградации, а также токсичных производных фенола, однако они оказываются
дорогими и неэффективными в случае производных лигнина, с трудом поддающихся
переработке.
Отбеливатели, содержащие хлорпроизводные бифенилов, можно обесцвечивать с
помощью грибов — возбудителей белой гнили. Среди побочных продуктов сульфитного
процесса получения целлюлозы преобладают химически модифицированные лигнины,
образующиеся во многих реакциях между активным сульфитом и каким-либо сложным
природным полимером. Структура лигносульфонатов в деталях неизвестна. Они
представляют •собой гетерогенную смесь соединений с широким спектром молекулярных
масс (300—100 000); состав смесей определяется природой перерабатываемой
древесины. Образование сульфонатов приводит к частичной солюбилизации лигниновых
фрагментов.
Сложность структуры лигносульфонатов затрудняет изучение их биодеградации.
Для упрощения задачи обычно используют модельные соединения, например
дегидрополимеры кониферилового спирта или другие низкомолекулярные продукты.
Низкомолекулярные лигносульфонаты чувствительнее к биодеградации, чем
высокомолекулярные; с другой стороны, производные лигнина, видимо, устойчивее к
разрушению, чем сам лигнин. Следовательно, образование сульфопроизводных
затрудняет переработку. В таких сопряженных окислительно-деградативных процессах
почвенные грибы и бактерии более эффективны, чем гнилостные грибы; для
осуществления этих процессов требуется также дополнительный источник углерода.
Распад лигносульфонатов нередко сопровождается полимеризацией, в результате чего
наблюдается сдвиг в распределении полимеров по молекулярным массам. Эти изменения
могут коррелировать с присутствием внеклеточных фенолоксидаз (например, лакказы),
физиологическая роль которых остается неизвестной. Фенолы превращаются в
соответствующие хиноны и фенокси-радикалы, которые спонтанно полимеризуются.
Таким образом, полимеризация и деградация происходят одновременно.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 60 из 68
Однако в случае некоторых грибов реакции полимеризации не протекают в
присутствии целлюлозы. Целлюлоза распадается до целлобиозы, являющейся субстратом
для целлобиоза : хинон оксидоредуктазы, которая одновременно окисляет целлобиозу и
восстанавливает хиноны и фенокси-радикалы.
Может существовать и другая оксидоредуктазная система, в которой легко
доступные источники углерода используются для восстановления хинонов. Возможная
роль подобной биологической полимеризации состоит в облегчении осаждения
лигносульфонатов. Лигносульфонаты применяются как связывающие вещества при
производстве отдельных видов картона, где в качестве катализатора полимеризации
используют содержащие лакказу культуральные фильтраты. Фенолоксидазы могут играть
важную роль в определении судьбы многих ксенобиотиков в окружающей среде,
участвуя в полимеризации фенолов и в образовании органических полимеров почвы.
Чувствительность лигносульфонатов к биодеградации увеличивается после их
химической или физической модификации. Под действием УФ-облучения и озонирования
происходит фрагментация этих молекул, а удаление остатков сульфоновой кислоты, хотя
и снижает растворимость лигносульфонатов, одновременно уменьшает их устойчивость к
биодеградации.
Предпринимались
попытки
использовать
для
микробного
десульфирования анаэробные сульфатредуцирующие бактерии и некоторые виды
Pseudomonas. Большими потенциальными возможностями в этом смысле обладают
смешанные культуры. Использование таких культур для разрушения лигносульфонатов
может оказаться более эффективным, чем применение отдельных штаммов, поскольку
при этом могут быть созданы сообщества с широким спектром активностей, например
способные к десульфированию, расщеплению прочных связей, метилированию и
деполимеризации. В результате может быть получена высокоэффективная
биоокислительная система. В одной из опытных установок для получения БОО из
углеводов, содержащихся в отходах целлюлозно-бумажной промышленности, используют
Candida utilis, а для разрушения остаточных лигносульфонатов — смешанную культуру.
Биомасса, образующаяся на второй стадии этого процесса, не находит сбыта, поэтому ее
повторно используют после термообработки для ускорения роста Candida.
2.Текстильная промышленность и производство красителей отправляют в отходы
устрашающее количество красителей а лигментов, единственным общим структурным
свойством которых является наличие хромофорной группировки. Они поступают в
окружающую, среду со сточными водами; с количественной точки зрения эти соединения
не относятся к числу основных ее загрязнителей. Кроме того, эти отходы обычно не
рассматриваются как токсичные или канцерогенные для рыб или млекопитающих (за
исключением бензидина и катионных красителей). Для очистки окрашенных сточных вод
применяют химические методы; удаление красителей и пигментов с помощью микробов
весьма ограничено. Устранение этих продуктов из отходов с помощью активного ила
заключается в основном в адсорбции, а не в деградации. Степень их разложения
микроорганизмами определяется растворимостью, ионными свойствами, а также
природой заместителей и их числом. Оказалось, что микроорганизмы способны разлагать
красители, но только после адаптации к значительно более высоким концентрациям, чем
те, которые обычно обнаруживаются в сточных водах. Поскольку микроорганизмы могут
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 61 из 68
использоваться для контроля за загрязнением окружающей среды этими соединениями,
был проведен скрининг, направленный на выявление тех микроорганизмов, которые
способны к расщеплению модельных веществ типа n-аминобензолов, а также скрининг и
селекция организмов из дренажных канав предприятий по производству красителей. Были
сделаны попытки найти взаимосвязь между подверженностью соединения биодеградации
и его химической структурой.
Компоненты азокрасителей могут разлагаться в аэробных или анаэробных
условиях. Анаэробная биодеградация осуществляется относительно легко, поскольку
многие организмы синтезируют неспецифические ферменты, катализирующие
восстановительное расщепление азогруппы. Однако для дальнейшей деградации
необходим двухстадийный процесс, продукты которого — амины — могут быть
потенциально вредными и их'подвергают окислительному расщеплению. Азоредуктазы,
выделенные из аэробных систем, видимо, обладают большей субстратной
специфичностью и не находят широкого применения при переработке отходов. Процесс
разложения азокрасителей изучался на примере простого модельного соединения 4,4'дикарбоксиазобензола (ДКАБ). Выделены организмы, использующие это соединение в
качестве единственного источника углерода, азота и энергии. Ранее считалось, что
азосвязь в природе не образуется. Однако среди продуктов, синтезируемых одним из
грибов — патогеном насекомых — было идентифицировано азосоединение, так что
бактериям приходилось встречаться с этим типом связей in vivo. Был выделен один из
видов Flavobacterium, разрушающий только транс-ДКАБ; если использовать ингибиторы
ферментов, раскрывающие кольцо, то это приводит к накоплению аминобензоата. Тем не
менее данный организм не расщепляет промышленные красители, а попытки ввести его в
непрерывную
культуру для
длительной
адаптации
оказалисьбезуспешными.
Flavobacterium не выдерживала конкуренции со стороны другого организма — одной из
псевдомонад, способной расти при высоких концентрациях (750 мг/л) используемого ею
синтетического красителя и, следовательно, эффективно разрушать его. При повышенной
температуре эта способность утрачивалась. Возможно это связано с тем, что упомянутая
функция кодируется плазмидой. Следует отметить, что полученные штаммы обладают
высокой субстратной специфичностью и едва ли выживут в установках для очистки
сточных вод.
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Stafford D, ,A., 1982. Biological Treatment.of Organic Compounds and Solvents.
In: Safe Use of Solvents (eds. Collings A. J., Luxton S. G.), pp. 293—304,
Academic Press, London
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 62 из 68
Лекция № 19. Биодеградация нефтяных загрязнений и пестицидов.
План:
1.Биодеградация нефтяных загрязнений.
2.Биодеградация пестицидов.
1.Рассмотрим теперь процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их
производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных водах нефтяной
промышленности, так и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких
загрязнений могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для
горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений
окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.
Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом
после удаления большей части нефти • физическими способами или с помощью
коагулянтов. Токсическое воздействие≫ компонентов таких сточных вод на системы
активного ила можно свести к минимуму путем постепенной ≪акклиматизации≫
очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего
поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем
может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные
технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же
колонные биореакторы.
Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она
затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание.
В ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и
фотоокисление, разлагается — в зависимости от качества нефти и от метеорологических
условий — 25—40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные
алканьк Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов
определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание
насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также
асфальтенов в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти
придают разветвленные алканы, серусодержащие ароматические соединения и
асфальтены. -Кроме того, скорость роста бактерий, а следовательно, и Скорость
биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и
фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает скорость биодеградации.
Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от
степени загрязненности углеводородами. (Например, больше всего их находят поблизости
от крупных лортов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью.
Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому
составу микробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например
асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основные физические
факторы, влияющие на скорость разложения нефти,—это температура, концентрация
жислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее
эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 63 из 68
Особую проблему представляют выбросы или ^случайные разливы нефти на
поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и
источников питьевой воды. В почвеЕ содержится очень много микроорганизмов,
способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна,
если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения,
увеличивающие распространение остаточной нефти.
2.Слив отходов производства пестицидов сегодня строго контролируется;
технология очистки сточных вод или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается
сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов
растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации
непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках тли при промывке и замене
контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды
попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки
сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и
грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко
осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные
стадии и промежуточные продукты процессов деградации-ДДТ, идущей, например,'в ходе
сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого
пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого
рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора,
серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на
первой же стадии их модификации.
Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы
их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться
токсичность пестицида или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо
было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие
коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных
пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстеразы, ациламидазы и
фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он должен
обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть
нечувствительным к небольшим количествам растворителей или тяжелых металлов, не
ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных
систем, а также хорошо храниться. В ряде случаев в качестве биологического агента
детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas sp. С ее
помощью удалось удалить 94—98% остаточного паратиона (около 75 г) из контейнера с
пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1 % (по весу). Забуференные растворы
паратионгидролазы использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве,
где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратиона
в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раствора и
концентрации фермента. При этом значительные количества пестицида были
обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная
сфера применения иммобилизованных ферментов — это очистка сточных вод. Были
описаны гидролазы для детоксикации других пестицидов. Многие из них обладают
широкой субстратной специфичностью, что открывает большие возможности для
создания других простых систем детоксикации пестицидов. В будущем подобные
Редакция № 2 от 26.09.2008
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Страница 64 из 68
системы смогут применяться при промывке промышленных химических установок и
реакторов, ферменты в виде аэрозолей — для удаления пестицидов с поверхностей, а
ферменты в сочетании с пестицидами — для быстрого разрушения пестицидов после их
использования.
Рекомендуемая литература:
1.Экологическая биотехнология: пер с англ./ Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
– Л.: Химия, 1990. – 384с.
2.Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса: пер. с англ. М.: Мир,
1988.
3.Stafford D, ,A., 1982. Biological Treatment.of Organic Compounds and Solvents.
In: Safe Use of Solvents (eds. Collings A. J., Luxton S. G.), pp. 293—304,
Academic Press, London
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Тема № 1. Аэробные процессы очистки сточных вод.
Цель занятия: Знать аэробные системы очистки сточных вод. Конструкцию и
принцип работы аэротенков.
Тема № 2. Анаэробные процессы очистки сточных вод.
Цель занятия: Знать анаэробные системы очистки сточных вод. Конструкцию и
принцип работы септиктенков.
Тема № 3. Непрерывное культивирование бактерий применительно к очистке
сточных вод.
Цель занятия: Изучить
очистке сточных вод.
основные виды микроорганизмов, применяемых при
Тема № 4. Переработка ила.
Цель занятия: Изучить методы переработки ила.
Тема № 5. Ликвидация и обеззараживание ила.
Цель занятия: Знать методы обеззараживания и ликвидации ила.
Тема № 6. Иммобилизованные клетки в экологической биотехнологии.
Цель занятия: Изучить использование иммобилизованных клеток, применительно к
биологической переработке отходов.
Тема № 7. Бактериальное выщелачивание минерального сырья.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 65 из 68
Цель занятия: Изучить бактериальное выщелачивание меди и
Микроорганизмы, используемые при бактериальном выщелачивании металлов.
урана.
Тема № 8. Компостирование и биодеградация соломы.
Цель занятия: Знать биотехнологические методы биодеградации соломы.
Тема № 9. Биотехнологические альтернативы в сельском хозяйстве.
Цель занятия: Изучить переработку отходов сельского хозяйства. Биодеградация
пестицидов. Производство кормов из отходов промышленности. Получение удобрений из
отходов промышленности.
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
1. Предварительная очистка сточных вод.
2. Токсичность и ингибирование при анаэробном процессе очистки сточных
вод.
3. Реакторы смешения.
4. Анаэробный контактный процесс.
5. Лизис и скрытый рост.
6. Радиационная обработка ила.
7. Эрлифтные аппараты.
8. Аэрация сточных вод.
9. Эксплуатационные аспекты аэрации сточных вод.
10. Использование растворителей, образуемых бактериями.
11. Виды сточных вод
12. Анаэробный контактный процесс
13. Состав твердых отходов и стратегия их размещения.
14. Анаэробные реакторы с иммобилизованными клетками
15. Химия бактериального выщелачивания металлов. Бактериальное
выщелачивание руды in situ.
16. Современное применение пробиотиков в сельском хозяйстве.
17. Роль молочнокислых бактерий в силосных добавках.
18. Микробные пестициды.
19. Бактерии – симбионты бобовых.
20. Катаболические плазмиды.
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 66 из 68
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 67 из 68
УМКД 042–14.1.04.01.20.63-2009
Редакция № 2 от 26.09.2008
Страница 68 из 68