Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии. Экологическая биотехнология – это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологий.

2.1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ

Круг проблем, решаемых экобиотехнологией, чрезвычайно широк – от разработки и совершенствования методологии комплексного химико-биологического исследования экосистем вблизи источников техногенных воздействий до разработки технологий и рекомендаций по рекультивации почвы, биологической очистке воды и воздуха и биосинтезу препаратов, компенсирующих вредное влияние изменения окружающей среды на людей и животных. В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль играют микроорганизмы. Помимо использования деятельности микроорганизмов в пищевой, фармацевтической, химической промышленности и в генной инженерии появилась возможность их применения для переработки отходов жизнедеятельности человека. В связи с ростом городов и развитием промышленности возникли серьезные экологические проблемы: загрязнение водоемов, накопление ядовитых веществ, в том числе канцерогенных, бытового мусора и отходов, загрязнение воздуха. Однако многие из созданных человеком низкомолекулярных соединений (ядохимикаты, детергенты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, т.е. требуется разработка более усовершенствованных технологий.

Обычно для утилизации отходов применяют комплексы микроорганизмов и специальные приборные устройства. Многие из созданных человеком химических веществ проявляют биологическую активность: обладают мутагенными, канцерогенными, тератогенными свойствами, нарушают структуру клетки. В табл. 2.1 представлен ряд веществ, обладающих опасным для человека действием.

Таблица 2.1. Перечень веществ,
опасных для жизнедеятельности человека

Некоторые загрязняющие биосферу вещества по своему происхождению являются природными соединениями. Например, компонент древесины лигнин, образующийся в значительных количествах как отход целлюлозно-бумажной промышленности, – опасный поллютант. К числу загрязняющих биосферу веществ природного происхождения принадлежат и многие ароматические и галогенсодержащие углеводороды.

2.2. БИОТРАНСФОРМАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ
И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ВЕЩЕСТВ

Чужеродные вещества (ксенобиотики), попадая в организм человека и животных, претерпевают различную биотрансформацию: окисление, восстановление, гидролиз, конъюгацию и другие процессы с участием ферментных систем.

Так, в реакциях окисления чужеродных веществ особое место занимают микросомальные монооксигеназы, а также комплексы мембранно-связанных ферментов с участием цитохромов Р-450. Биотрансформация чужеродных веществ под воздействием микроорганизмов и ферментов протекает в воде и почвах. Изучение этих реакций в почвах в немалой степени затруднено гетерогенностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв. Устойчивость многих ксенобиотиков в биосфере довольно высока. Например, ДДТ не исчезает из почвы до 30 лет, альдрин и хлордан – до 15 лет, диэльдрин – до 25 лет, гептахлор – до 14 лет. Некоторые поллютанты, подвергаясь распаду или трансформации, могут образовывать более устойчивые или токсичные продукты.

Процессы биотрансформации некоторых ксенобиотиков и загрязняющих веществ показаны на рис. 2.1–2.5.

Рис. 2.1. Биотрансформация некоторых ксенобиотиков и загрязняющих веществ:
1 – окисление симазина с образованием канцерогена; 2 – окисление диэтиламина с образованием
канцерогенного продукта в желудке млекопитающих;
3 – окисление (эпоксидация) альдрина с образованием токсичного эпоксидадиэльдрина
(реакция протекает в организме позвоночных, а также осуществляется многими почвенными организмами из 8 родов);
4 – восстановление четыреххлористого углерода в печени с образованием промежуточного трихлорметильного радикала,
способного вступать в реакции окисления и переводить другие молекулы в перекисные соединения, вызывающие
повреждение печени; 5 – трансформация оксида мышьяка с образованием триметилированного производного мышьяка

Рис. 2.2. Продукты биотрансформации ДДТ:
ДДЕ – канцероген для нескольких видов млекопитающих; ДДМУ –для сальмонелл; ДДА – производное ацетата; 
ДДМУ-эпоксид – конденсации ДДА и ДДМУ, способный вызывать рак у мышей; 
ДДД – рованное восстановленное производное ДДМУ

Рис. 2.3. Конъюгаты чужеродных веществ с биомолекулами растений:
1 – ковалентное связывание 3,4-дихлоранилина лигнином с образованием нерастворимого конъюгата;
2 – продукт конъюгации пентахлорфенола с глюкозой

Рис. 2.4. Примеры конъюгации у животных

Рис. 2.5. Последовательность ферментативных реакций биодеградации нафталина:
1 – нафталиндиоксигеназа; 2 – чыс-дигидродиолнафталиндегидрогеназа;
3 – 1,2-диоксинафталиндиоксигеназа; 4 – 2-оксихромен-2-2-карбоксилатизомераза; 
5 – 2-оксибензальпируватальдолаза и пируват; 6 – салицилальдегидцегидрогеназа;
7 – салицилатгидроксилаза; 8 – катехолдиоксигеназа; 9 – 2-оксимуконатсемиальдегиддегидрогеназа; 
10 – 2-оксимуконаттаутомераза; 11 – 4-оксалилкротонатдекарбоксилаза; 12 – 2-оксо-4-пентеноатгидратаза; 
13 – 2-оксо-4-оксипентаноатальдолаза и пируват

Среди ксенобиотиков, вносимых человеком в биосферу, немалая часть относится к производным нафталина и салициловой кислоты. В превращении этих соединений участвует большое число ферментов.

2.3. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ.
БИОГАЗ

Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола.

Биогаз – это смесь из 65 % метана, 30 % СО₂, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 28 м³ биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м³ природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез – процесс превращения биомассы в энергию.

Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения – белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы – бродилыцики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н₂-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н₂, СО₂, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н₂-продуцирующих и Н₂-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н₂ и СО₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂ молекулярным водородом, а также из метальной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО₂, метанол, метиламин и ароматические соединения:

4Н₂ + СО₂ →  СН₄ + 2Н₂О
ЗН₂ + СО → СН₄ + Н₂О
2Н₂О + 4СО → СН₄ + ЗСО₂
4НСООН → СН₄ + ЗСО₂ + 2Н₂О
4СН₃ОН → ЗСН₄ + СО₂ + 2Н₂О
СН3СООН → СН₄ + СО₂

Особое место в утилизации отходов занимает метановое сбраживание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии – ГЭС, ТЭС, АЭС – вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектростанции) служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атмосферу, нарушают альгологический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные электростанции) создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации СО₂, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.

90–95 % используемого углерода метанообразующие бактерии превращают в метан и лишь 5–10 % углерода превращаются в биомассу. В литературе имеются данные о способности метанообразующих бактерий в анаэробных условиях одновременно синтезировать и окислять метан.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40 °С, а для термофильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio fibrisolvens, Peptostreptococcus productus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofaciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens. Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter ruminantium и Methanosarcina ssp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации – ацетат, пропионат, сукцинат, Н₂ и СО₂. Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntrophomonas и Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н₂ и СО₂ – предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны синтезировать ацетат из СО₂ в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium и Methanospirillum.

Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмал перерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30–60 °С и рН 6–8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой, микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке. На рис. 2.6 представлена схема устройства реактора (метантенка) для обработки сельскохозяйственных отходов (навоз, остатки растениеводства). Подача отходов (субстрата) и отбор обработанного стока осуществляются в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодическим, так и полунепрерывным. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса.

Рис. 2.6. Схема устройства реактора для обработки сельскохозяйственных отходов

Современное состояние проблем и перспектив в области получения биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия органических отходов в метан – наиболее конкурентоспособная область биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

2.4. ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА

Энергию можно получать из растений, богатых углеводами, превращая их в спирт (этанол). К ним относятся меласса, картофель, маниок, стебли кукурузы, злаки, топинамбур (земляная груша). Большое количество этанола получают из гидролизатов древесины лиственных пород или из сульфитных щелоков – отходов бумажных фабрик. Полученный спирт можно смешивать с бензином в соотношении 1:9 (или даже 1:4) и заправлять им машины.

Рост производства этанола связан с широтой его применения в химической промышленности. Он прекрасный растворитель, антифриз, экстрагент. Этанол служит также субстратом для синтеза многих растворителей, красителей, лекарственных препаратов, смазочных материалов, клеев, моющих средств, пластификаторов, взрывчатых веществ и смол для производства синтетических волокон. Его используют в двигателях внутреннего сгорания либо в безводном виде, либо в форме гидратированного этанола. Среди растений, продуцирующих этиловый спирт, следует выделить маниок, злаки (особенно кукурузу) и топинамбур, у которого запасным углеводом является инулин. Используются также сахарный тростник, ананас, сахарная свекла, сорго, у которых основной углевод – сахароза. При переработке сахарного тростника его тщательно давят, целлюлозу (жом) отделяют от сладкого сока и сжигают, а сок концентрируют, стерилизуют и подвергают брожению. Этот раствор отделяют от твердых компонентов и далее из 8–10 %-го спиртового раствора путем перегонки получают этанол. Из оставшейся жидкости (стиллаж) после соответствующей переработки извлекают компоненты удобрений с выходом 2–3 %. «Барду» (кубовой остаток) после перегонки используют в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Крахмал при его переработке сначала гидролизуют в сбраживаемые сахара. Производство этанола из мелассы с использованием жома сахарного тростника в качестве топлива выгодно при современных ценах на сырую нефть.

Данное производство должно быть строго скоординировано со структурой сельскохозяйственных систем и энергопотребляющих секторов хозяйств. Прекрасным сырьем для получения этанола является маниок, способный расти и в полупустынных районах; он может использоваться круглогодично. Из 1 т маниока удается получить 80 л этанола, а из 1 т сахарного тростника – 60–65 л.

В США широко применяют смесь из 6–9 г бензина и 1 г этанола (газохол). В 28 штатах ею заправляют около 800 станций, но для замены всего бензина, потребляемого в США, газохолом потребуется ежегодно производить 45,6 млрд л этанола, что значительно превышает производимое количество спирта, в том числе из злаков.

Среди других технических культур наибольшее предпочтение отдают топинамбуру, который имеет много ботвы, способной компенсировать энергозатраты на перегонку спирта. Инулин, содержащийся в клубнях, после гидролиза и брожения может обеспечить 30–50 гл ацетонобутаноловой смеси с 1 га. Во Франции впервые осуществлена замена 10 % чистого бензина смесью метанола и ацетонобутанола. Перспективна также замена бензина этанолом, получаемым из отходов сахарной промышленности.

2.5. БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Все возрастающий дефицит ископаемых топливных ресурсов выдвигает на первый план острую проблему создания и внедрения возобновляемых источников энергии и сырья за счет биосистем: растений и фототрофных микроорганизмов, конвертирующих с высокой эффективностью солнечную энергию в энергию химических связей. Резервы солнечной энергии достаточно велики: на поверхность земного шара попадает около 5 • 10²⁰ ккал этой энергии в год, что в 10 000 раз превосходит современный уровень мировой энергетики за счет добычи ископаемого топлива. Солнечная энергия способна обеспечить современный и будущий уровень энергозатрат человечества. Количество энергии, падающей на общую площадь пустынь на Земле (2 • 10⁷ км²), достигает 5 • 10¹⁸ кВт • ч. Если бы удалось освоить эту энергию с КПД хотя бы 5 %, то уровень мировой энергетики возрастет более чем в 200 раз. Даже если будущее население Земли достигнет 10 млрд человек, то энергия, снятая с земной поверхности, в 10–12 раз будет превышать необходимые потребности. Ведутся исследования в направлении освоения солнечной энергии, падающей на поверхность морей и океанов.

Совершенно очевидно, что один из наиболее перспективных методов крупномасштабного преобразования солнечной энергии основан на использовании биосистем. Широкое применение биосистем для получения энергии способно обеспечить свыше 15 % производства энергии для экономически развитых стран. В последние 10–15 лет намечены новые пути биотрансформации солнечной энергии при фотосинтезе. Установлено, что некоторые микробиологические системы характеризуются высокой эффективностью фотосинтеза. Так, фоторазложение воды, осуществляемое суспензией хлореллы с образованием кислорода, в оптимальных условиях культивирования дает 130–140 л газа с 1 м² освещаемой поверхности в сутки. Известно, что одна из особенностей процесса фотосинтеза – уменьшение эффективности преобразования солнечной энергии при высоких значениях интенсивности света. Новые технологии позволяют повысить эффективность фотосинтеза при высокой интенсивности света. Разрабатываются системы, эффективно поглощающие световой поток и обогащенные реакционными центрами по отношению к пигменту. Световые кривые фотосинтеза улучшаются также с увеличением скорости лимитирующей стадии электронного транспорта. Например, проведение процесса при повышенных температурах в системах термофильных микроорганизмов увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии при высокой интенсивности света.

2.6. ФОТОПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

Известно, что хлоропласты (например, из шпината) в присутствии искусственного донора электронов и бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуцировать водород:

Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные органические соединения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: избыток субстрата фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами, кроме того, процесс получения водорода – возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных хлоропластов. Водород можно получать в присутствии искусственного донора ē (вместо воды) и поглощающих свет пигментов, а не мембран хлоропластов. Его способны выделять и некоторые микроорганизмы, например цианобактерии (аэробные фототрофы) и др. При этом микробиологическое образование водорода может идти из соединении углеводного характера, включая крахмал и целлюлозу, а также из амино- и кетокислот.

Основная проблема создания систем конверсии энергии биомассы в водород связана с превращением этих метаболитов в топливную форму. Для биотехнологии можно было бы воспользоваться и другими механизмами превращения энергии, выявленными у микроорганизмов. Например, галофильная бактерия Halobacterium halobium способна использовать световую энергию, улавливаемую пурпурным пигментом (бактериородопсином), вмонтированным в мембрану клетки. Молекула пигмента состоит из одной полипептидной цепи, к которой прикреплена молекула ретиналя, являющегося светочувствительной частью пигмента. Под влиянием солнечного света изменяется конформация пигмента, приводящая к переносу ионов водорода (Н⁺) через мембрану. Пигмент является как бы протонным насосом. Молекулы бактериородопсина располагаются в мембране триадами, и перекачивание протонов через мембрану обеспечивает градиент концентрации Н⁺ (∆Н⁺), вследствие чего они движутся к наружной стенке, у которой пространство подкисляется и возникает электрохимический градиент (∆µ^–_H).

Предприняты попытки встраивания молекул пигмента в искусственные системы и повышения эффективности их использования. В частности, растущие бактерии Н. halobium переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией NaCl и других минеральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых штаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пигментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до100000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подложке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитанные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплошным слоем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты можно смешивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо создания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды могут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов.

У Н. halobium имеется и другой тип насоса, который обеспечивает галородопсин, использующий световую энергию непосредственно для перекачивания ионов. Изучение систем энергоконверсии чрезвычайно перспективно с точки зрения разработки искусственных устройств, более эффективных, чем естественные.

2.7. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Важнейшая проблема экологической биотехнологии – очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300–3500 км³, при этом в сельском хозяйстве – 70 % всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд населения требуется также значительное количество воды. Большая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод.

На современном этапе выделяются следующие направления рационального расхода водных ресурсов: более полное использование и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разработка новых биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подразделить на несколько типов: механическое, сопровождающееся повышением содержания механических примесей и относящееся в основном к поверхностным видам загрязнений; химическое, обусловленное присутствием в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое.

Основные источники загрязнения и засорения водоемов – недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов; отходы производства при разработке рудных ископаемых (воды шахт, рудников); сбросы водного и железнодорожного транспорта; пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, качественно изменяют их состав.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд, содержащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняют физические свойства воды (появление неприятных запахов, привкусов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов, предприятий органического синтеза содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессов уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее органические показатели.

Нефть и нефтепродукты – основные загрязнители внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана – создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти делают непригодной для употребления 1 т воды. Вредным загрязнителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточных водах многих нефтехимических предприятий. На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.В значительной степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту, промышленности и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бактерий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, содержащие отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, служат причиной органических загрязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых электростанций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изменяет термический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водоемов. Возникают благоприятные условия для массового развития в водохранилищах синезеленых водорослей (так называемое «цветение воды»).

Методы очистки сточных вод

Применение того или иного метода (механического, химического, физико-химического и биологического) в каждом конкретном случае определяется характером и степенью вредности примесей.

1. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, навозоуловителями, нефтеловушками и т.д. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60–75 % нерастворимых примесей, а из промышленных – до 95 %, многие из которых как ценные примеси используются в производстве.

2. Химические методы. В сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95 %, а растворимых – до 25 %.

3. Физико-химические методы. Суть этих методов – удаление тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, разрушение органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.

4. Биологические методы. Данные методы основаны на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки – огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопьями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипшиеся в хлопья, тем самым омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды сначала подвергают механической, а после химической очистке для удаления болезнетворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы.

Биологические методы дают существенные результаты при очистке коммунально-бытовых стоков, отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и производства искусственного волокна. Однако они разрушают только относительно простые органические и аммонийные соединения.

Отстой сточных вод и его использование

В зависимости от степени обработки отстой городских сточных вод обычно делят на первичный (необработанный) – твердые вещества; вторичный – твердые вещества, выделяющиеся после вторичного отстоя, или отстой с биофильтров очистных сооружений; третичный – результат третичного отстоя сточных вод (известь и глина); отстой, перегнивший в анаэробных условиях.

До осушки отстой содержит большое количество влаги (до 95 %). После некоторой стабилизации отстоя, которая достигается путем его сбраживания, содержание твердых веществ составляет 30 %.

Доля содержания органической части в городских сточных водах колеблется от 50 % в перегнившем отстое до 70 % в необработанном отстое. Химический состав типичных отстоев следующий: азот (N) – до 2 %; фосфор (Р₂О₅) – 4 %; калий – до 0,5 %. В небольших количествах обнаружены Cd, Сu, Ni, Zn, Hg и Pb. Энергосодержание необработанного отстоя составляет около 16 284 кДж/год. Однако практическое использование отстоя в качестве топлива связано с рядом трудностей: высокое содержание влаги не позволяет использовать отстой без высушивания, на которое расходуется фактически вся выделяемая в процессе его горения энергия. При очистке сточных вод применяют и метановое брожение, которое осуществляется в реакторах (метантенках) в основном двух типов: в реакторах без фиксации биомассы и в реакторах с прикрепленной (фиксированной) биомассой. В качестве подложки, к которой прикрепляется биомасса, используют мелкий песок, окись алюминия и другие носители.

В последнее время анаэробное метановое брожение применяют и для детоксикации стоков.

Анаэробные бактерии помимо деградации углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот способны разрушать и многие отходы нефтехимической промышленности, например бензойную кислоту.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, нитробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кротоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, синтетические полимеры и многие другие вещества.