Природоохранные технологии

Особую важность для экологии представляют природоохранные технологии. То есть не технологии вообще, а конкретные технологии, направленные на ликвидацию того или иного вредного воздействия на окружающую среду.

Не претендуя на широту обобщений, можно предложить некоторый перечень видов природоохранных технологий [2,3]:

1. Очистка и обезвреживание отходящих газов.

2. Очистка сточных вод.

3. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов.

4. Рекультивация загрязненных территорий и акваторий.

5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве.

6. Замещение энергетических ресурсов новыми экологически чистыми источниками энергии из возобновляемого сырья.

7. Реализация систем замкнутого водопользования.

8. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов.

9. Экологически чистая геотехнология.

10. Экологический мониторинг техногенных воздействий на окружающую среду.

Многие из перечисленных природоохранных технологий могут быть реализованы с использованием способов и процессов биотехнологии. В силу специфики биотехнологических процессов, остановимся более подробно на роли биотехнологии в осуществлении перечисленных выше природоохранных технологий.

1. Очистка сточных вод. Здесь биотехнология практически вне конкуренции. Наряду с открытыми еще в начале века системами аэробной и анаэробной очистки с использованием аэротенков, других специальных видов биоокислителей, биофильтров и метантенков, работающих на естественных биоценозах, разрабатываются адаптированные к различным загрязнениям консорциумы микроорганизмов, пригодные для переработки особо токсичных отходов, системы биосорбции тяжелых металлов и многое другое.

2. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов. Начало этим технологиям было положено способами переработки избыточного активного ила, накапливающегося при работе станций биологической очистки стоков. Такой ил часто сам является серьезным источником загрязнения окружающей среды. Методы метанового брожения с получением горючего биогаза и удобрений, а также методы биокомпостирования в аэробных условиях, используемых для переработки активного ила, были затем использованы для переработки навоза, окультуривания свалок и превращения их в установки по биопереработке отходов. Разрабатываются также методы биологической переработки отработанных полимерных материалов, таких как сельскохозяйственные пленки, биодеградации нефтесодержащих осадков, биорегенерации резины отработанных шин с получением каучука-регенерата. Перечень перерабатываемых с помощью биотехнологии отходов растет, т.к. почти для каждого вещества можно подыскать микроб, для которого это вещество является субстратом.

3. Очистка и дезодорация газовых выбросов и глобальное кондиционирование атмосферного воздуха. Наряду с традиционными системами для очистки газовых выбросов все чаще используются биоскрубберы в жидкофазном и твердофазном исполнении с использованием иммобилизованных микроорганизмов. Разрабатываются также «превентивные» системы, снижающие содержание серы в используемом топливе, чтобы не допустить выброса в атмосферу окислов серы. Среди таких систем – биотехнологические способы обессерирования каменного угля и нефти, которые интенсивно разрабатываются в ряде стран. Важной экологической проблемой является снижение содержания углекислоты и повышение содержания кислорода в атмосферном воздухе (борьба с пресловутым «парниковым эффектом»). Сегодня мы с горечью констатируем, что зеленый покров планеты, который помогает в решении этой проблемы, неумолимо сокращается. Надо думать о новых способах восстановления газового баланса. В космических системах жизнеобеспечения ужу опробовано применение для этих целей культивирования микроводорослей хлореллы. Может быть, будут найдены и другие разновидности водорослей, что позволит вместо зеленых насаждений организовывать плантации микроводорослей, очищающих атмосферу и одновременно дающих кормовой или даже пищевой продукт.

4. Биоремедиация загрязненных территорий. Развитие цивилизации часто сопровождается образованием техногенных пустынь – территорий, загрязненных различными вредными веществами. На слуху прежде всего нефтяные загрязнения, но список загрязнителей достаточно велик. Смыслом биоремедиации является очистка этих загрязнений с помощью микроорганизмов, вносимых в почву, или путем активизации деятельности аборигенной почвенной микрофлоры. Это – специальный вид технологии, несколько напоминающий сельскохозяйственные. Они включают рыхление и вспашку почвы, увлажнение или осушение, внесение удобрений и структураторов почвы. Выполняются работы либо по месту загрязнения, либо с вывозом грунта на специально оборудованные участки. В 1997г. в Германии состоялась первая международная конференция по биоремедиации. Спектр загрязняющих веществ, по которым проводятся работы, весьма велик. Это нефтепродукты, полиароматические углеводороды, нитроаромтаика, нитроцеллюлоза, тринитротолуол, нафталин, антрацен, фенантрен, полиалкилводород, бифенилы, иприт и другие ОВ, гептил, ионы металлов – хром, свинец, никель, цинк и многое другое.

5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве. При выращивании сельскохозяйственных растений современные технологии оказывают серьезное воздействие на окружающую среду. Минеральные удобрения, например, вымываются из почвы и приводят к эвтрофикации водоемов. Еще хуже ситуация с химическими пестицидами и инсектицидами, которые могут оставаться и в конечных продуктах сельского хозяйства – зерне, оовщах, фруктах. Не решена окончательно проблема утилизации больших количеств накапливающейся соломы. Биотехнология предлагает для решения этих вопросов биоудобрения, биоинсектициды, феромоны, технологии биоконверсии соломы с получением белкового корма твердофазной ферментацией, специальные силосные закваски для силосования трав. Имеются сообщения о биотехнологических способах деградации отработанных полимерных пленок и мульчи. С животноводством связаны биодеградация и метановое сбраживание навоза с получением удобрений и биогаза, пробиотики и ростовые гормоны для животных, кормовые антибиотики и вакцины животных, кормовой белок, получаемый микробиологическим способом из различных источников сырья, в основном отходов. Современная биотехнология и генная инженерия позволяет использовать получаемую из изолированных культур ткани безвирусную рассаду картофеля и других культур, трансгенные растения и животных с измененными характеристиками, обеспечивающих высокую хозяйственную продуктивность и экологичность сельскохозяйственного производства.

6. Замещение энергетических ресурсов. В этой области можно отметить следующие возможности биотехнологии:

- Получение биогаза путем биоконверсии различных органических отходов или специально выращиваемых быстрорастущих растений.

- Получение моторного топлива с использованием «биоспирта» – технического спирта, полученного путем биоконверсии сельскохозяйственных отходов, содержащих сахара, крахмал или лигноцеллюлозу. В Бразилии уже сейчас в качестве моторного топлива используют газохол – смесь бензина со спиртом.

- Получение водорода из отходов органического происхождения.

- Есть информация о культивировании специальных видов микроводорослей, накапливающих углеводороды, Пока что их эффективность невелика. Но нельзя исключать, что с помощью генной инженерии будут созданы хозяйственно рентабельные биотехнологические производства углеводородов, что позволит заместить убывающие запасы нефти возобновляемым углеводородным топливом.

- Особенно блестящие экологические перспективы сулит промышленное использование биофотолиза воды цианобактериями или их ферментными системами с получением водорода, хотя и здесь для практического решения задачи нужно решить много технических и биологических вопросов.

7. Реализация систем замкнутого водопользования. В таких системах отработанные водные потоки очищаются внутри самого производства, и очищенные – вновь используются в производстве. На Киришском биохимическом заводе, например, за счет такого решения удалось полностью исключить сброс промышленных стоков в водоемы. Интересно, что при этом снизились расходы и другого сырья – аммонийных и фосфорных солей, которые не сбрасывались в водоемы, а повторно использовались. При достаточно больших концентрациях органических загрязнений в отработанных потоках в системах замкнутого водопользования должна быть биотехнологическая стадия отработки воды.

8. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов. Этот раздел по существу касается многих продуктов разного назначения, производимых биотехнологией и имеющих свойства, снижающие экологическую нагрузку на природу. В качестве первого примера можно привести биоразлагаемые полимеры (полиоксибутират, полилактат), разлагающиеся с помощью почвенной микрофлоры и тем самым выгодно отличающиеся от полиэтилена, полипропилена, упаковка из которых создает ясно выраженную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Можно также отметить биоудобрения и биоинсектициды, стиральные порошки с ферментами. Созданы биопрепараты против комаров, которые заражают их личинки и препятствуют размножению, и в то же время не оказывают воздействия на человека и окружающую среду, чем выгодно отличаются от химических средств. Конкурируют с обычными пищевыми продуктами такие продукты биотехнологического происхождения, как глюкозо-фруктозные сиропы, получаемые ферментативной обработкой крахмалистого сырья, подкислители – лимонная, молочная и другие органические кислоты, пищевые красители и биоконсерванты микробного происхождения (низин, дигидроксиацетон), пищевкусовая добавка – глутамат натрия, подсластители типа аспартама (в 200 раз слаще сахара), есть даже попытки создать мясо из мицелиальной биомассы съедобных грибов.

9. Биогеотехнология. При добыче природных ископаемых биотехнология также имеет ряд точек приложения.

- Биометаллургия – бактериальное выщелачивание цветных и драгоценных металлов из сульфидных руд вместо пиролитических процессов или использование аминокислотных гидролизатов микробных масс для выщелачивания золота из оксидных руд вместо неэкологичного процесса цианирования.

- Использование биополисахаридов (ксантанов), получаемых биотехнологическим путем, для повышения нефтеотдачи пластов при добыче нефти.

- Микробиологические методы борьбы с метаном в шахтах.

- Биосорбция благородных и редких металлов из морской воды.

10. Биомониторинг воздействия техногенных факторов на окружающую среду. Чаще всего с помощью биологических методов мониторинга контролируют интегральное воздействие загрязнителей на окружающую среду. Наиболее известным примером такого мониторинга является определение БПК – биологической потребности в кислороде, характеризующего собой «обобщенный субстрат» для активного ила или «обобщенный загрязнитель» с точки зрения чистоты воды. Подобного рода интегральных биотестов существует множество, и они продолжают разрабатываться. В иммунодиагностикумах, например, используются свойства антител животных клеток связывать строго определенные виды белков и других биополимеров.

Наконец, концентрации многих загрязняющих веществ определяются с помощью биосенсоров, основанных на специфических реакциях ферментов с измеряемым веществом. Здесь уже определяется не интегральное воздействие, а конкретная концентрация конкретного вещества.