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. 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) ликвидация и обезвреживание разливов нефти; 4) извлечение металлов (гл. 5); 5) биологическая очистка газов от пахучих и вредных соединений (меркаптанов, сероводорода, цианида, хлорзаме- щенных углеводородов и т. д.); 6) получение биомассы из от­ходов; 7) превращение отходов в метан (гл. 2).

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. Сточные же воды химической промышленности, как правило» не соответствуют возможностям подобных систем. Интенсив­ность переноса кислорода в ходе процессов, обычно протекаю­щих в таких системах, бывает недостаточна для поддержания максимальной скорости окисления при участии микрофлоры. Эти процессы чувствительны также к колебаниям в загрузке реактора, особенно если токсичные вещества и ингибиторы.по­ступают в систему в высоких и непостоянных концентрациях.

Проблему недостатка кислорода, возникающую при перера­ботке отходов химической промышленности в обычно исполь­зуемых системах на основе активного ила, пытались решить несколькими способами. В двух случаях (распределитель с пробулькиванием и система «Аноке») для увеличения скоро­сти переноса газа использовали чистый кислород. В одной и» новых систем переработки отходов — колонном эрлифтном фер­ментере, разработанном фирмой ICI, — пошли по пути уве­личения количества растворенного кислорода (рис. 6.2). В центральной части колонны имеется не доходящая до дна вертикальная секция, в которую сверху поступают отходы и повторно используемый активный ил; туда же вводится воз­дух. Когда смесь выходит из ферментера вверх по наружной секции колонны, давление в системе падает, что вызывает про- булькивание пузырьков воздуха. Благодаря высокому содер­жанию растворенного кислорода и турбулентности биомасса поддерживается в высокоактивном состоянии и становится бо­лее устойчивой по отношению к перегрузкам, а также к умень­шению аэрации и времени нахождения отходов в ферментере» особенно в случаях высоко концентрированных отходов.

Такие процессы с повышенной аэрацией устойчивы к рез­ким перегрузкам отходами, не оказывающими токсического или ингибирующего действия. В случае же токсичных отходов более пригодными оказываются системы, в которых использу­ются микроорганизмы, растущие в пленках. Такие популяции микробов не вымываются из системы, даже если на их рост я метаболизм оказывают неблагоприятное воздействие посту­пающие сточные воды. Кроме того, внутри пленки из-за огра­ничения диффузии создаются градиенты концентрации. Это приводит к понижению концентраций токсичных продуктов внутри пленки, а следовательно, к повышению скорости их усвоения и окисления. Пленка создает также экологическую ни­шу для организмов, рост которых в присутствии высоких концентраций отходов при перегрузках существенно за­медляется. Самая простая форма пленочной системы — это перколяционный фильтр (разд. 6.2.1), однако подобного рода пленки разрушаются, если они становятся очень тонкими, при уменьшении концентрации субстрата на поверхности подлож­ки. В таком случае клетки погибают и пленка отпадает, за­соряя фильтры внутри системы переработки отходов. При слишком высоких концентрациях субстрата происходит быст­рый рост микроорганизмов, что приводит к образованию тол­стой пленки и к ее периодическому отслоению. Интенсивность подобных процессов можно снизить, разбавив поступающий раствор с питательными веществами осветленными сточными водами. Разработка новых методов сохранения толщины плен­ки представляет безусловный интерес. Так, при помощи мед­ленного вращения диска из полистирола внутри протекающих сточных вод толщина пленки поддерживается постоянной за счет гидродинамических сил и аэрации при выходе пленки из воды. Такая эффективная и простая система была предложена для очистки стоков с низкой величиной ВПК. Еще один эффек­тивный метод переработки токсичных отходов in situ может быть основан на использовании реакторов с ожиженной под­ложкой, где микроорганизмы растут на поверхности неболь­ших инертных частиц (песок, стекло, антрацит), через слой ко­торых пропускают с контролируемой скоростью сточные воды и воздух.

Отходы, не содержащие азота или фосфора, не способны поддерживать рост микроорганизмов. В подобных случаях для окисления токсичных соединений до двуокиси углерода можно использовать покоящиеся клетки при условии, что активность их гидролитических и окислительных ферментов не подавляет­ся. Поскольку среда при переработке отходов в колонных реак­торах периодически меняется, микроорганизмы оказываются в условиях голодания и в это время их рост прекращается. При поступлении источника углерода на короткое время включает­ся несопряженный метаболизм, когда организмы дышат, но не растут. Это дает то преимущество, что уменьшается общий вы­ход биомассы (ила).

Рассмотрим методы биологической переработки промышлен­ных отходов на примерах молочной, бумажной промышленности и производства красителей.

• 6.6.2. Отходы молочной промышленности; сыворотка (см. также гл. 3)

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 ультрафильтра­ции, 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 β-raπaκτo3∏Λa3bi (гл. 4). 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.

• 6.6.3. Отходы целлюлозно-бумажной промышленности

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 (глюкоизоса­хариновую, 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 методов вскоре будут использоваться и новые процессы превращения отходов в грибной белок с помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichum pulυerulentum 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 целлю­лозно-бумажной промышленности — это понижение энергоза­трат, а какой химический принцип при этом используется — менее существенно.

Основная экологическая проблема, порождаемая целлюлоз­но-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—100000); 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. 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 десульфи+ рования 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.

• 6.6.4.   Отходы от производства красителей

Текстильная промышленность и производство красителей от­правляют в отходы устрашающее количество красителей и пигментов, 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 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 (рис. 6.17). 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 толькотрамс-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 оказались безуспешными. 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.

Рис. 6.17. Анаэробное восстановитель­ное расщепление модельных азокра­сителей.

• 6.6.4. Биологическая очистка газов

Очистка отходов от вредных, токсичных и пахучих газов — это серьезная экологическая проблема. Во многих промышленных производствах (в фотопромышленности, при перегонке нефти, очистке природного газа и в целлюлозно-бумажной промыш­ленности) образуются восстановленные соединения серы (тио­сульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид). Эти соединения являются также побочными продуктами ана­эробного разложения отходов животноводства с высоким со­держанием органических веществ. Большинство неорганических восстановленных соединений серы служат источником энергии для целого ряда микроорганизмов, растущих в аэробных или анаэробных условиях (рис. 6.18). Могут быть созданы очист­ные системы, основанные, например, на использовании тиоба­цилл: в таких системах анаэробное десульфурирование сопря­жено с денитрификацией. Один из методов очистки от серово­дорода состоит в пропускании газа через солевой раствор, на­пример раствор сульфата меди. В результате происходит осаждение нерастворимого сульфида металла, который затем может быть окислен при участии микроорганизмов (см. также гл. 5, где рассматривается переработка отходов горнодобываю­щей промышленности). Количество отходов с неприятным за­пахом увеличивается и в результате интенсификации животно­водства. Для устранения этого запаха из отходов удаляют, в частности, восстановленные соединения серы; такое удале­ние происходит с потерей азота или без потери (путем образо­вания аммиака) в зависимости от того, какие микроорганизмы при этом используются. Органические сульфиды часто бывают токсичными для микроорганизмов. Например, обогащение отходов микроорганизмами, способными использовать диметил- сульфид, затруднено, хотя в принципе можно выделить сооб­щество микробов, растущее на очень близком по структуре суб­страте диметилсульфоксиде. Преобладающий в таком сообще­стве организм Hyphomicrobium spp. быстро окисляет диметил- сульфид, так что есть основания надеяться на создание отно­сительно простого микробиологического способа переработки таких ядовитых отходов.

Рис. 6.18. Разрушение восстановленных соединений серы.

Для детоксикации цианида в промышленных отходах были предложены различные биологические методы: от использова­ния активного ила до применения специфических ферментов, разрушающих цианид. Так, роданаза, обнаружена у Bacillus Stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тио­цианат. Альтернативная иммобилизованная система основана на гидролизе цианида до формамида, катализируемом инду- цибельным ферментом цианидгидратазой. Этот фермент был обнаружен в грибах, паразитирующих на растениях-цианоге­нах. Таким образом, мы имеем ряд микробиологических мето­дов очистки промышленных стоков, однако нам еще предстоит определить их эффективность по степени очистки на выходе.