Современные биотехнологии охраны окружающей среды

Содержание

Введение           3

1 Биотехнологии          4

2 Современные биотехнологии охраны окружающей среды  6

2.1 Утилизация и переработка  органических промышленных,

бытовых и сельскохозяйственных отходов     6

2.2 Биологическая рекультивация       8

2.3 Биотехническая очистка  почв от нефти и нефтепродуктов  9

Заключение          15

Список использованных источников      16

Введение

Современный мир переживает глобальную биотехнологическую революцию. Биотехнология из рядовой отрасли  становится системообразующим, ведущим фактором развития как экономики отдельных государств, так и мировой экономики в целом. Согласно прогнозам, к 2010 г. глобальная рыночная стоимость секторов, связанных с биотехнологией (без сельского хозяйства), должна была составить свыше 2 трлн. евро. Уже сейчас биотехнология может успешно решать такие жизненно важные задачи, как обеспечение продовольствием, создание эффективных лекарств, получение топлива на основе возобновляемого сырья, поддержание экологического равновесия, сохранение биоресурсов Земли. Появился даже специальный термин, обозначающий этот феномен: "биоэкономика, основанная на знаниях". Объем рынка биотехнологий в мире в 2005 году оценивался примерно в 200 млрд. долларов США. Ежегодный рост составляет около 7-9%. 2005 год для рынка биотехнологий в мире можно охарактеризовать как один из самых успешных за всю историю развития этой отрасли. По-прежнему мировым лидером остается США.

В России за последние  несколько десятилетий в условиях ускоренной индустриализации и химизации производства подчас внедрялись экологически «грязные» технологии. При этом недостаточно внимания уделялось условиям, в которых будет жить человек, т.е. каким воздухом он будет дышать, какую воду он будет пить, чем он будет питаться, на какой земле жить. [1, с. 8] Большие перспективы в области охраны окружающей среды и рационального природопользования имеют достижения биотехнологии.

1. Биотехнологии

Впервые термин «биотехнология»  применил венгерский инженер Карл Эреки  в 1917 году. Биотехнология – это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнология – это производство, основанное на последних достижениях современной науки: генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии, химии антибиотиков, комбинаторной химии. [2, с. 3] Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды.

В современной литературе понимание биотехнологии находится  где-то в середине этого спектра: с одной стороны, признаётся преемственность  современных биотехнологий от более  древних знаний и ремёсел, с другой подчёркиваются некоторые количественные и качественные отличия современных биотехнологий от их предшественников. Если Encyclopedia Britannica широко определяет биотехнологию как «промышленное применение разработок из области методик и инструментария биологических исследований» [5], то в то же время, как замечает российский биолог А.В.Олескин, «биотехнология включает в себя целый комплекс новых методов работы с живыми организмами (в первую очередь, одноклеточными), новые области применения результатов этой работы, а также новые философско-методологические подходы к живому»[6, с.320].

Учитывая особенности  определения биотехнологий, можно  проводить систематизацию этих технологий по двум направлениям: научно-обобщающему и отраслевому. Если при первом подходе задача состоит в выявлении общего научного фундамента всех биотехнологий, то отраслевая систематизация описывает всё множество конкретных приложений биотехнологических знаний в отдельных областях деятельности человека.

2. Современные биотехнологии  охраны окружающей среды

Благодаря достижениям  современных учёных (микробиологов, экологов, биохимиков) биотехнология  успешно применяется и справляется  с важными экологическими проблемами. Биотехнология нашла широкое применение в охране окружающей среды, в частности, при решении следующих прикладных вопросов:

• утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;
• биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;
• микробном восстановлении загрязненных почв, получении микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;
• компостировании (биологическом окислении) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.);
• создании биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.

2.1 Утилизация  и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных  отходов

биотехнология микробиология окружающий охрана

Одной из острейших проблем  современной науки и практики является утилизация и переработка  органических промышленных, бытовых  и сельскохозяйственных отходов, которые  не вписываются в естественный биологический  круговорот, вследствие чего приводит к загрязнению воздуха, воды, почвы и отрицательно сказывается на здоровье человека. Вермикультура (от латинского vermi – червь) – использование дождевых червей для переработки органических отходов – является одним из перспективных направлений биотехнологии. В настоящее время преобладающей тенденцией является культивирование красного калифорнийского червя – выведенной селекционным путем линии навозного червя, которая отличается значительной плодовитостью, утратой инстинкта покидания своего местообитания при неблагоприятных условиях среды, высокой степенью адаптации к переработке специфических видов отходов. Таковыми могут служить различные субстанции органического происхождения, например навоз и помет сельскохозяйственных животных, отходы мясокомбинатов, рыбоперерабатывающей, целлюлозной промышленности, овощей и фруктов, бумага, картон, опилки, осадки городских и производственных очистных станций. В соответствии с технико-экономическим обоснованием и типовым проектом на одной из животноводческих ферм Одесской области создан биотехнологический комплекс по переработке органических отходов, анализ работы которого показал его высокую технологичность и экологическую значимость. Совместно с Инженерной Академией Украины академиком А.А. Клименко разработан контейнерный биомодуль по производству органических удобрений (биогумуса) и белковых кормовых добавок (биодобавок) для агропромышленного комплекса. Биомодуль представляет собой стандартный 40-футовый теплоизолированный контейнер, который при необходимости может транспортироваться от одного предприятия к другому и устанавливаться на съемной жесткой раме, что не требует подготовки фундамента. Технологический процесс осуществляется работой 5-и самостоятельных блоков: вермикультуры, операторский, обеспечения микроклимата, подготовки готовой продукции (биогумуса и белковых кормовых добавок), электро- и водоснабжения. Технико-экономическое обоснование проекта свидетельствует, что эксплуатация одного биомодуля в течение месяца позволяет обеспечить утилизацию 30 тонн органических отходов, в том числе, илов станций биологической очистки городских стоков, и получить 18 тонн биогумуса и 3 тонны белковых кормовых добавок. Преимущества предлагаемой разработки состоят в экологической чистоте (безотходность производства), высокой эффективности. Анализ мирового опыта вермикомпостирования органических отходов различного происхождения свидетельствует о реальной, технологически обоснованной возможности устранения критической антропогенной нагрузки на окружающую среду наряду с производством экологически чистых органических удобрений и кормового белка.

2.2 Биологическая  рекультивация

Биологическая рекультивация заключается  в искусственном создании растительных покровов различного вида и включает механическую подготовку поверхностного слоя почвы, внесение в нее удобрений, посев многолетних трав. Механическая обработка нарушенных земель заключается в рыхлении поверхностного слоя участка на глубину не менее 0,2 м. Для повышения плодородия обработанного слоя вносят минеральные и органические удобрения. Засеивать участки следует многолетними травами семейства злаковых. В качестве стимуляторов роста рекомендуется применять сложные удобрения, в состав которых входят азот, фосфор и калий. При биорекультивации используются микроорганизмы, разрушающие нефть и нефтепродукты, а также биокомпосты и нефтесорбенты. В качестве доступного сорбента могут быть использованы отходы рисозаводов. Рисовая шелуха – легко доступный и перспективный сорбент. В связи с этим представляют интерес разнообразные растительные отходы сельского хозяйства, пищевой и деревообрабатывающей промышленности (лом древесноволокнистых плит, опилки, шелуха овса, гречки, куриные перья и др.), поскольку они являются весьма дешевыми, доступными и распространенными сорбентами.

2.3 Биотехническая очистка почв от нефти и нефтепродуктов

Добыча природных ископаемых, нефти сопряжена с разрушением  почвенного покрова и загрязнением природных ландшафтов, что связано  с использованием большегрузной  техники и неизбежным попаданием на землю нефти, нефтепродуктов и сопутствующих вредных веществ. Интенсивное использование нефтепродуктов в промышленности также вызывает экологические проблемы, связанные с загрязнением почвы и воды. Загрязнение почвы и водоемов любыми типами нефтепродуктов является настоящей экологической катастрофой экосистемы: меняются соотношения между отдельными группами микроорганизмов, изменяется направление метаболизма, подавляются жизненно важные процессы дыхания и самоочищения. Отравленные нефтью почва и вода практически не способны самостоятельно очиститься от нефтяного загрязнения – естественное разложение нефти и нефтепродуктов в обычных условиях происходит крайне медленно т.к. повышенные концентрации углеводородов подавляют всякую самоочищающую активность почвы и воды, в экосистеме накапливаются трудноокисляемые продукты, серьезно препятствующие самоочищению и самовосстановлению. Что же делать, если разлив нефти все-таки случился? Каким образом очистить и оживить природу, подвергшуюся нефтяному удушью? Восстановление жизненных процессов зависит от способностей почвы и воды перерабатывать органику (к каковой относятся углеводороды нефти) в безвредные для окружающей среды легкоусвояемые продукты метаболизма. Как уже упоминалось, нефть и ее продукты, являясь тяжелыми, трудно-окисляемыми, и токсичными веществами, серьезно подавляют самоочистительные способности почвы и воды – места нефтяных разливов на многие годы остаются участками безжизненной суши или мертвыми водоемами. И все же, процессы разрушения и разложения нефтяных загрязнителей в природе идут – в основном за счет содержащихся в почве и воде микроорганизмов обладающих способностью извлекать из углеводородов энергию необходимую для строительства новых колоний и их жизнедеятельности. Природа создала мудрую экологичную систему, настроенную на самоочищение, которая, однако, не в состоянии противостоять темпам и масштабам интенсивного техногенного загрязнения – естественные концентрации полезных микроорганизмов в природе не могут быстро переработать масштабные и глубокие загрязнения. Современные же темпы развития нефтедобычи и нефтепереработки требуют эффективных методов, позволяющих в короткие сроки нейтрализовать последствия воздействия на почву и водоемы нефти, мазута, солярки, дизтоплива, бензина.

Задача многократной активизации и ускорения процессов  биологического разрушения углеводородов  нефти в воде и почве, блестяще решена разработчиками средства биологической очистки почвы и воды Микрозим (tm) Петро Трит. Внесение в загрязненный нефтью участок почвы или воды специально выделенных из почвы и селекционированных микроорганизмов размноженных в форме готового к использованию биопрепарата, обеспечивает интенсификацию микробиологической активности почвы и воды по разрушению углеводородов нефти в десятки раз, что позволяет в предельно сжатые сроки нейтрализовать нефть как опасный загрязнитель, превратив ее в безвредные для окружающей среды продукты жизнедеятельности бактерий – СО2, Н2О, летучие вещества. С уменьшением в почве и воде концентрации нефтяных углеводородов интенсифицируется самоочищение – увеличение численности физиологических групп полезных микроорганизмов, что связано со снижением токсического действия нефти и нефтепродуктов. Как показывают многочисленные исследования по изучению влияния биопрепарата на почвенные процессы, применение микроорганизмов многократно интенсифицирует метаболизм нефтезагрязненных почв, сокращая время полного разложения нефти на безопасные для окружающей среды вещества до нескольких месяцев.

Средство биологической  очистки почвы и водоемов Микрозим (tm) ПЕТРО ТРИТ сочетает в себе биологические  и биохимические методы интенсификации самоочистки нефтезагрязненных  почв и водоемов и представляет собой комплексный биодеструктор углеводородов нефти. В препарате присутствуют 12 уникальных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, эффективно использующих углеводороды нефти в качестве источника энергии жизнедеятельности и выполняющих основную функцию переработки нефти в безвредные для окружающей среды вещества, а также комплекс минеральных солей и уникальный набор микробных ферментов, необходимых для многократного ускорения микробиологической активности. В процессе жизнедеятельности комплекс микроорганизмов, стимулируемый питательными элементами и ферментами, синтезирует собственные ферменты и био-ПАВ, которые с высокой эффективностью расщепляют нефть, что облегчает ее дальнейшее усвоение микроорганизмами. В результате тяжелый и токсичный загрязнитель, которым является нефть, превращается в воду, углекислоту и нетоксичные биоразложимые вещества, не препятствующие дальнейшим процессам самоочистки и почвообразования. Насколько же эффективно данное средство? Многократные испытания показывают, что по критерию максимального микробиологического усвоения углеводородов эффективность очистки в течение первых 14 суток после первой обработки почвы биопрепаратом составляет 50%, до 85% в течение первого месяца обработки, и до 98% в течение одного месяца после повторной обработки. При этом значительно активизируются процессы самоочищения почвы и полностью восстанавливается норматив кислородного режима почвы уже в течение первых 10–14 суток. При расходе биопрепарата 7 килограммов на 1 тонну нефти, микроорганизмы биопрепарата сохраняют высокую усваивающую активность до потребления 90–95% углеводородов нефти. Первая обработка почвы биопрепаратом снижает концентрации нефти или нефтепродуктов на 80–85% в течение 1–1,5 месяца, повторная обработка снижает содержание углеводородов нефти в почве на 97% – 99%. При этом не требуется внесения минеральных удобрений биопрепарат уже содержит специальный комплекс минеральных солей.

Средство может применяться  при температурах окружающего воздуха  от плюс 15 градусов до плюс 50 градусов, что позволяет применять препарат в течение теплого сезона практически на всей территории России. Если температура окружающего воздуха опускается ниже плюс 5 градусов, рост бактерий замедляется вплоть до полной остановки биологической активности, формирования спор и перехода в состояние cна. При последующем повышении температуры микробы вновь начинают размножаться. Препарат устойчив к повышенным концентрациям солей и элементов меди, цинка, и т.д., повышенные концентрации этих металлов не оказывают на активность препарата существенного ингибирующего действия. Биопрепарат Микро-зим (tm) Петро Трит предназначен для очистки и восстановления почв и водоемов, подвергшихся одноразовому загрязнению или постоянно загрязняемых нефтепродуктами, восстановления самоочищения и плодородия почв при ликвидации нефтяных разливов в качестве средства в короткие сроки преобразующего нефть в почве и воде в безвредные для окружающей среды вещества. Сам биопрепарат безвреден для человека и окружающей среды, животных, рыб, растений, зоопланктона. В био-препарате используются нетоксичные, не патогенные микроорганизмы и натуральные микробные ферменты. Средству присвоен 5 класс опасности (безвреден для окружающей среды). Препарат Микрозим (tm) Петро Трит может применяться также для очистки сточных вод промышленных предприятий, стоков автомоек замкнутого цикла, депарафинизации скважин, обезвреживания нефтесодержащих шламов и осадков. Очищенная препаратом почва пригодна для посадки растений, очищенная вода пригодна для слива в канализацию, рыбохозяйственные водоемы, орошения. Препарат выпускается в сухом порошковом и в жидком состоянии для работы со всеми типами машин. Технология очистки почвы препаратом достаточно проста и не трудоемка. В случаях, когда глубина проникновения нефти в почву не превышает 60 см. очистка почвы препаратом производится непосредственно на месте загрязнения, благодаря возможности взрыхлить почву на глубину загрязнения чтобы обеспечить доступ кислорода. Непосредственно перед обработкой почва готовится – с поверхности почвы убирают сухие листья и траву, проводится вспашка почвы на глубину загрязнения, почва увлажняется до 60%. Затем в почву вносится биопрепарат. Обработку почвы биопрепаратом проводят дважды за теплый сезон. Первая обработка снижает содержание нефтепродуктов на загрязненном участке на 80–85% относительно исходного уровня загрязнения в течение одного месяца. Повторная обработка производится через один – полтора месяца после первой обработки и снижает концентрации нефтепродуктов в почве на 97–99% относительно исходного уровня. Для внесения препарата в почву на больших площадях применяют механические средства: на ровных площадях и твердых грунтах применяются разбрасыватели минеральных удобрений, в труднопроходимых районах используются cпециальные механические агрегаты на гусеничном ходу, на болотистых почвах – болотоходные машины для внесения жидкого препарата. На протяжении всего процесса очистки, почва должна периодически переворачиваться и рыхлиться – рыхлением обеспечивается доступ в почву кислорода, необходимого для высокой активности аэробных процессов, а также и вывод из почвы летучих продуктов разложения нефти. Влажность почвы поддерживается на уровне не ниже 50% (до 70%) периодическим дождеванием. Работы по очистке завершаются осенью, обычно в октябре, с понижением температур ниже плюс10градусов. Очищенная почва засеивается травой. Первый посев в очищенную почву семян травы дает до 70% всхожести. В случаях, когда нефть проникает в почву на глубину свыше 60 сантиметров, применяется выемка загрязненного грунта для его последующей очистки на специальных площадках, где создаются оптимальные условия для очистки замазученных грунтов или песков – поддерживается оптимальная температура, влажность, доступ кислорода. Для активной деятельности углеводородо-окисляющих микроорганизмов готовятся благоприятные условия: загрязненный грунт укладывается в компостные гряды высотой 30–40 см. (размеры гряд могут быть и больше – все зависит от технической возможности регулярно переворачивать грунт), почва увлажняется, вносится биопрепарат, почва регулярно переворачивается и перемешивается. В результате в сроки от 2 до 4 месяцев получается очищенный грунт. Рекультивационная площадка обязательно имеет гидроизолированное основание для предотвращения утечки растворенных углеводородов в грунтовые воды. Микробиологическая очистка является оптимальным способом очистки и восстановления жизнеспособности почвы и водоемов т.к. сочетает в себе невысокую затратность при высокой эффективности (глубине) очистки и полной экологической безопасности. Полученные в результате биоразложения нефти вещества не представляют опасности для окружающей среды и представляют собой основу гумуса. Средство для биологической очистки почвы и воды Микрозим (tm) Петро Трит прошло испытания в ГУ НИИ МТ РАМН и на основании заключений экспертов было рекомендовано Заключением ГСЭН РФ для очистки и восстановления нефтезагрязненных почв и водоемов. Препарат применяется в России для очистки почв и водоемов от нефтяного загрязнения, очистки сточных вод авто-моек, обезвреживания нефтеотходов начиная с 2003 года и успел зарекомендовать себя как высокоэффективное средство очистки и восстановления жизнеспособности природных экосистем. Препарат Петро Трит может применяться и в городском хозяйстве, в частности на городских водоемах, в которые, ежедневно поступают тонны нефтепродуктов вместе с ливневыми водами, смывом с дорог, парковок, АЗС.