Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. В начале XX века произошла революция в городском хозяйстве, когда был предложен метод аэробной биологической очистки сточных вод с помощью активного ила – сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывно аэрировать ее воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объемы стоков с самыми разнообразными загрязнениями – от хозяйственно-бытовых до промышленных.

Биосорбция тяжелых металлов из стоков. Обычная очистка стоков удаляет из них в основном органические загрязнения. Если же в стоках содержатся тяжелые металлы, такие, как медь, никель, хром, свинец и другие, то требуются дополнительные методы очистки, например биотехнологические. Имеются определенные виды микроорганизмов, которые способны осаждать на себе (сорбировать) металлы, растворенные в жидкости. Концентрация металлов при этом возрастает настолько, что после тепловой обработки биосорбент можно рассматривать как сырье для получения цветных металлов.

Биокомпостирование твердых отходов. Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твердых отходов. Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.

Метановое сбраживание твердых отходов. Еще в 1776 г. Вольта обнаружил, что в болотном газе содержится метан. Но только значительно позже была определена роль анаэробных микроорганизмов в этом процессе. С 1901 г. успешно применяют анаэробное сбраживание осадка избыточного активного ила, образующегося при работе установок биологической очистки сточных вод. В результате сбраживания получают газ, содержащий 65 % метана и 30 % диоксида углерода, который вполне может быть использован для отопления. Процесс протекает в специальных аппаратах – метан-тенках, где накапливающийся газ находится под некоторым давлением.

Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжелых металлов, успешно используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по составу, и в нем почти полностью отсутствуют болезнетворные микроорганизмы.

Метановое брожение применяют также и для переработки концентрированных жидких отходов, хотя скорость его протекания меньше, чем в случае аэробной биологической очистки активным илом. С середины XX века процесс анаэробного сбраживания с получением биогаза стал очень популярен применительно к отходам животноводческих ферм, особенно в теплых странах, таких, как Китай и Индия.

Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.

Биодеградация нефтяных загрязнений на почве и воде. При аварийных разливах нефти используют биотехнологические способы восстановления загрязненных территорий, которые обрабатывают специально выращенными нефтеокисляющими микроорганизмами, внося различные добавки для их азотистого и фосфорного питания, что позволяет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода.

Биодеградация химических пестицидов и инсектицидов. Для борьбы с сорняками и вредителями растений часто используют химические пестициды и инсектициды. Они действуют жестко и в короткое время ликвидируют сорняки и вредителей на обработанном участке. Однако в дальнейшем возникают проблемы: пестициды создают химическую опасность, сохраняясь на растениях или попадая в поверхностные природные воды. Чтобы этого не было, разработаны биопрепараты из специфических микроорганизмов или ферментов, позволяющих ускорить деградацию пестицидов.

Борьба с накоплением метана в шахтах. Мы часто слышим о взрывах в шахтах, вызванных нарушением условий эксплуатации. От метана в шахтах трудно освободиться: нужна очень сильная вентиляция, чтобы снизить концентрацию ниже взрывоопасного предела. Биотехнологи предложили вносить в шахты – в отработанные штреки – суспензию микроорганизмов, способных потреблять метан. Это позволяет снижать концентрацию метана. Рассматривались также проекты использования метана, отсасываемого вентиляцией из шахт, для непрерывного выращивания этих микроорганизмов, а их избыток использовать для получения кормового белка.

Обессеривание нефти и каменного угля. Имеются микроорганизмы, способные переводить серу из сульфидов и меркаптанов в элементную серу. На основе использования таких микроорганизмов разрабатывают технологии обессеривания угля и нефти. В результате и топливо электростанций, и моторное топливо автомобилей становится более экологичным – дает меньше выбросов диоксида серы в атмосферу.

Обогащение воздуха кислородом. Хотя диоксид углерода – продукт дыхания многих живых существ – считается безвредным, все же в повышенных концентрациях он оказывает неблагоприятное воздействие на животный мир и человека. Работа многих промышленных предприятий, тепловых электростанций приводит к постепенному повышению его концентрации в атмосфере. Следствием этого может стать глобальное потепление на Земле, связанное с так называемым «парниковым эффектом». Это влечет за собой многие весьма неприятные последствия для обитателей Земли.

Сейчас роль очистителя атмосферы от диоксида углерода играют травянистые растения и деревья, но уменьшение зеленого покрова в связи с урбанизацией подрывает сами основы существования человечества.

В компактной форме эти проблемы возникают при организации систем жизнеобеспечения на космических кораблях, подводных лодках и вообще в замкнутых пространствах обитания людей. Для поглощения выдыхаемого диоксида углерода и восполнения убыли кислорода на таких объектах уже давно предлагалось культивирование микроводорослей (или цианобактерий) хлорелла, которые под действием солнечного света позволяют решать эту задачу. Может быть, этот прием в дальнейшем будут использовать и в более крупных масштабах, например для улавливания углекислоты в выбросах тепловых электростанций.

Биоразлагаемые полимеры. Мы уже говорили об использовании биоразлагаемых полимеров применительно к медицине. Однако эта проблема гораздо более остро стоит в экологии. Без большого преувеличения можно сказать, что XX век – это век пластмасс. Вещи из полиэтилена, полипропилена и других пластмасс в буквальном смысле слова окружают нас повсюду. Особенно много пластиковой упаковки, которую после использования чаще всего просто выбрасывают. И здесь ее, в принципе ценное, свойство – устойчивость к разложению влагой, светом, холодом и теплом, почвенными микроорганизмами – играет отрицательную роль. Земной шар буквально переполнен использованной пластмассовой упаковкой!

Поэтому в некоторых странах, заботящихся об экологии (США, Германии, Англии), уже действуют ограничения на использование пластмассовой упаковки. Взамен предлагается упаковка на основе полигидроксибутирата или полилактата или специальным образом обработанного крахмала в смеси с целлюлозой. Биотехнология может помочь в создании таких материалов, хотя они и будут дороже. Выброшенные пакеты или флаконы из таких материалов при взаимодействии с почвенными микроорганизмами будут превращаться в воду, диоксид углерода и биомассу этих самых микроорганизмов, предохраняя планету от отходов.

Стиральные порошки с ферментами. Сейчас уже не новость – это достижение биотехнологии, хотя появилось оно чуть больше 30 лет назад. Ферменты для таких порошков (протеазы) производятся биотехнологическими методами.

Вермикультивирование и копрокультивирование. Многие отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности могут перерабатываться не только с помощью микроорганизмов (биокомпостирование или метановое брожение), но и с помощью низших организмов – червей. Среди них есть очень эффективные виды – калифорнийские красные черви, которые «перемалывают» землю с разными органическими отходами в прекрасное удобрение. Нормальное состояние кладбищ также невозможно без червей. Это направление переработки отходов называют вермикулътивированием. Кстати, если при этом поблизости иметь подсобное хозяйство для разведения птиц, то избыток червей вполне может служить пищей курам, гусям и прочей птице.

Вермикультивирование чем-то напоминает разведение личинок мух (нельзя давать им превращаться в летающих мух). Известно, что мухи откладывают огромное количество яиц, которые весьма быстро растут, превращаясь в личинки мух и при этом перерабатывая всевозможные гнилые отходы. Показано, что личинки являются превосходным кормом для птиц, а при определенной обработке – также для свиней и пушных зверей (норок, например). Это направление называют копрокультивированием.

Хотя эти два направления, строго говоря, не подпадают под наше определение биотехнологии, все же о них стоит вспомнить, потому что они могут применяться в сочетании с биокомпостированием.