Экологическая биотехнология основана на использовании живых организмов при переработке опасных отходов и борьбе с загрязнением окружающей среды. Эти методы обеспечивают более эффективное, по сравнению с традиционными подходами, обезвреживание, а также значительно снижают нашу зависимость от утилизации мусора путем сжигания и создания хранилищ токсичных отходов.

Использование биотехнологии для решения экологических проблем не новая идея. Уже более ста лет смешанные бактериальные популяции применяют для очистки сточных вод. Для поддержания жизни все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) поглощают и переваривают питательные вещества и выделяют в окружающую среду образующиеся при этом продукты жизнедеятельности.

8.1. Биотехнология утилизации твердых отходов

Твердые отходы, являющиеся продуктами жизнедеятельности человека, складируют на городских свалках. Их число в настоящее время огромно. Увеличиваются не только площади свалок, но и неуправляемое попадание отходов в окружающую среду, в частности за счет рассыпания при транспортировке.

Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого способа их переработки. Когда же стало ясно, что при анаэробной переработке отходов образуется в больших количествах ценный энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и получение на месте их переработки метана (рис. 8.1).

Pиc. 8.1. Схема гидромеханической очистки воды

Состав отходов, вывозимых на городские свалки, становится все более однотипным: увеличивается объем бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных отходов. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от общего количества твердых отходов.

IIa свалке постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате меняются температура, значения рН, потоки жидкости, ферментативная активность микроорганизмов и т. п., что негативно сказывается на переработке отходов.

В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц и служат для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. Состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависят от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода. На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система их переработки является, по существу, совокупностью реакторов периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.

На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов), а также беспозвоночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты: лигнины, лигноцеллюлозы, меланины, танины.

Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4,0; в активно перерабатываемых – 0,9-1,2 и в полностью стабилизированных – 0,2.

В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80 °С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Повышение температуры увеличивает скорость протекания процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов.

В анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют разнообразные микроорганизмы, взаимодействующие между собой. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, по-луча ют термодинамические и кинетические преимущества. Происходит процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот; затем при участии метаногеггов образуется метан (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Биохимическое расщепление отдельны соединений до метана
и углекислого газа при анаэробном расщеплений отходов

В результате процессов* происходящих при биодегрядлции содержимого свалок, формируется два тина продуктов – фильтрующиеся в почву воды и биогазы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат разнообразные вещества, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макрои микроэлементы, металлы. Поэтому важным условием при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки, создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.

При биодеградации материала свалок образуется биогаз – ценный энергоноситель, который также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур). Ограничить утечку биогаза помогают специальные приспособления (преграды; траншеи, наполненные гравием; системы экстракции газа), а также создание над массивом свалок оболочек, препятствующих этому процессу.

В последние десятилетия существенно возрос интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Евросоюза – около 40. Сбор и последующее применение биогаза, образующегося на свалках в больших количествах, имеет огромные перспективы. Так, одна установка может дать до 40 тыс. м³ биогаза в день.

Теоретический выход метана может составлять 0,266 м³/кг сухих твердых отходов. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов повышает степень его извлечения. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.

Таким образом, проблема анаэробной переработки твердых отходов, помимо экологического, носит и экономический характер, так как использование образуемого на свалках биогаза снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.

8.2. Биотехнология очистки сточных вод

Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод, загрязненных разнообразными органическими и неорганическими соединениями. Многие из них токсичны для живых организмов. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее рН, прозрачности и цветности и т. д., что отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.

Сточные воды могут быть классифицированы по источнику происхождения:

• производственные (промышленные) сточные воды, образующиеся в технологических процессах при производстве или добыче полезных ископаемых. Отводятся через систему промышленной или общесплавной канализации;
• бытовые (хозяйственно-фекальные) сточные воды, образующиеся в жилых помещениях, а также в бытовых помещениях на производстве. Отводятся через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации;
• атмосферные сточные воды (их подразделяют на дождевые и талые, т. е. образующиеся при таянии снега, льда, града). Отводятся, как правило, через систему ливневой канализации.

Производственные сточные воды, в отличие от бытовых и атмосферных, не имеют постоянного состава и, в свою очередь, могут быть классифицированы:

1) по составу загрязнителей – на загрязненные: преимущественно минеральными примесями; органическими примесями; как минеральными, так и органическими примесями;

2) по концентрации загрязняющих веществ – с содержанием примесей:

1-500 мг/л;

500-5000 мг/л;

5000-30 000 мг/л;

более 30 000 мг/л;

3) по свойствам загрязнителей:

• по кислотности на:
• неагрессивные (рН 6,5-8);
• слабоагрессивные (слабощелочные – рН 8-9 и слабокислые – рН 6-6,5);
• сильноагрессивные (сильнощелочные – рН > 9 и сильнокислые – рН < 6);

по токсическому воздействию и воздействию загрязнителей на водные объекты – на содержащие вещества:

• влияющие на общесанитарное состояние водоема (например, на скорость процессов самоочищения);
• изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.);
• токсичные для человека и обитающих в водоемах животных и растений.

Специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами» нормируют показатели загрязнения в водоеме после смешивания сточных вод с естественными. Важнейшими являются следующие показатели:

• количество растворенного в воде кислорода после смешивания – не менее 4 мг/л;
• содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на 0,25-0,75 мг/л (для водоемов разной категории);
• содержание минерального осадка – не более 1000 мг/л;
• органолептические свойства – вода не должна иметь запахов и привкусов;
• рН – в пределах 6,5-8,5.

Кроме того, на поверхности не должно быть пленок, плавающих пятен, а содержание ядовитых веществ не должно превышать установленных предельно допустимых концентраций (ПДК). Запрещается сбрасывать в водоемы радиоактивные вещества.

Известно, что попавшие в водоемы органические вещества окисляются до CO₂ и H₂O в пределах способности водоемов к самоочищению, а количество кислорода, расходуемое в этих процессах, т. е. БПК (биохимическое потребление кислорода), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде примесей. Показатель БПК является важным критерием при оценке состояния сточных вод. Различают БПК₅ (пятидневный), БПК₂₀ (двадцатидневный) и БПК_полн (полный). БПК_полн обозначает время, в течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов.

Комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах, называется очисткой сточных вод. Это система методов, вызывающих разрушение или удаление из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. Очистка сточных вод включает три этапа: механический, биологический и физико-химический. Иногда производят дезинфекцию сточных вод.

На механическом этапе осуществляют предварительную очистку сточных вод. Он необходим для подготовки поступающих на очистные сооружения сточных вод к дальнейшим этапам очистки.

Для вылавливания крупных загрязнений применяют решетки и сита. Затем стоки проходят через песколовки, где осаждаются мелкие частицы (песок, молотый кофе и т. п.) и жироловушки, в которых происходит удаление с поверхности воды гидрофобных веществ. Песок из песколовок обычно складируют или применяют в дорожных работах. Очищенные таким образом сточные воды переходят на первичные отстойники для выделения взвесей. В результате удаляется до 60-70 % минеральных загрязнений, а БПК₅ снижается на 30 %.

Механический этап очистки важен для создания равномерного движения сточных вод и позволяет избежать колебаний объема стоков на биологическом этапе.

Биологический этап (биологическая очистка) предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими), которые используют в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в их состав. При этом происходят минерализация вод, удаление органического азота и фосфора, а главной целью является снижение БПК₅.

В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая ассоциация, состоящая из бактерий, водных грибов, простейших организмов (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории), микроскопических животных (коловратки, круглые черви – нематоды, водные клещи) и др. В сточных водах часто встречаются следующие виды микроорганизмов: эуглифа (раковинная амеба), аэрцелла (раковинная амеба), инфузория туфелька, хармонихилл (инфузория), стилонихия (инфузория), циклидиум (инфузория), кархезиум (колониальная инфузория), оперкулярия (колониальная инфузория), оксидриха (брюхоресничная инфузория), эплотес (брюхоресничная инфузория), сосущая инфузория, амеба протей, амеба дисковидная, амеба террикола, нитчатые бактерии, политома (жгутиковые), бодо (жгутиковые), коловратка нотоммата, коловратка филодина, коловратка мостила, коловратка катипна, аспидиска (брюхоресничная), аэлозома (малоресничный червь).

Достоинства биологической очистки заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте используемой аппаратуры и относительно невысоких эксплуатационных расходах. На этом этапе необходимо строго соблюдать технологии режима очистки и, главное, учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.

На этом этапе очистки сточных вод можно применять как аэробные микроорганизмы, которые используют для окисления веществ кислород, так и анаэробные микроорганизмы, не имеющие доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к предпочтительным акцепторам электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод.

При выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым: аэробные системы более надежны, стабильно функционируют и больше изучены.

Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции сооружениях – биофильтрах, аэротенках (с активным илом) и метантенках (анаэробное брожение).

Аэробные процессы очистки стоков. Биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностями насадки или фильтрующего слоя являются значительная удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые газодинамические свойства слою и способствует прохождению через него воздуха и жидкости.

В биофильтре происходят непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и далее сбрасывается в водоем. Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, которое используется для обогрева биофильтра.

Эксплуатация биофильтров достаточно несложный процесс. Важное условие их эффективной работы – тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятными факторами при эксплуатации биофильтров являются вероятность их переполнения, размножение мух на поверхности, дурной запах как следствие избыточного образования микробной биомассы.

Около 70 % очистных сооружений Европы и Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток конструкции – избыточный рост микробной биомассы, что приводит к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки.

Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной из стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки.

В аэротенке происходит непрерывная ферментация. Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах, в активном иле аэротенков беднее экологическое разнообразие видов.

Биоочистка в аэротенке осуществляется в два этапа. На первом этапе микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на втором – окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.

Число микроорганизмов в активном иле достигает многих миллиардов бактериальных клеток в 1 г ила. Количество бактерий, как и их видовой состав, может быстро меняться, в зависимости от химического состава поступающей в данный момент воды.

Среди обитателей активного ила больше всего псевдомонад (Pseudomonas) – свыше половины всех видов; представители родов Bacillus составляют более трети всех видов, Enterobacterium и Sarcinia – около одной пятой. Есть еще сахаромицеты (Sacharomycetes, до 8-10 %), микрококки (Micrococcus), разные грибки, актиномицеты и близкие к ним микобактерии, немного нитчатых бактерий Sphaerotilis natans и Cladotrix dichotoma. Если в воде есть соединения серы, то в активном иле появляются серобактерии и тионовые бактерии (Thiobacillus thioparus), которые усваивают серу. Серобактерии (бесцветная серобактерия Beggiata alba или пурпурная, с красным пигментом, из семейства Thiorodacea) образуют обрастания или плавающие нити.

Микроорганизмы формируют скопления в виде слизи – зооглеи, в которой много палочковидных бактерий, кокков. Обычный обитатель активного ила Zoogloea ramigera образует зооглеи в виде лопастей. Все эти группы микробов осуществляют первичное окисление и разложение жиров и углеводов и усваивают продукты их распада. При этом образуются промежуточные вещества: спирты, органические кислоты.

В качестве самостоятельного очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке, используют биологические (очистные) пруды. Если таковые функционируют как самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-, пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных стоков без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м³/га/сут., для биологически очищенных вод – до 500 м³/га/сут. Средняя глубина прудов составляет от 0,5 до 1,0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.

Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки, например шахтные реакторы, с использованием для аэрирования кислорода. Такие биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного в них кислорода достигает 10-12 мг/л, что в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15г/л и их окислительная мощность в четыре-пять раз превосходит аэротенки.

Шахтные биореакторы позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50-150 м при диаметре 0,5-10,0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное устройство, обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для циркуляции очищаемой воды.

Однако при эксплуатации окситенков возникает проблема отделения твердых частиц от иловой смеси: микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. По завершении стадии дегазации иловая смесь направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник.

Анаэробные процессы очистки стоков. Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития. Они существенно уступают аэробным процессам в скорости очистки, хотя имеют ряд преимуществ:

• масса образуемого в них активного ила практически на порядок ниже (0,1-0,2), по сравнению с аэробными процессами (1,0-1,5 кг/кг удаленного ВПК);
• существенно ниже энергозатраты на перемешивание;
• дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза.

Вместе с тем анаэробные процессы очистки мало изучены, и для них требуются дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.

Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет. Используемые для этих целей биореакторы – септиктенки и метантенки – представляют собой отстойники, в которых осадок ила подвергается анаэробной деградации.

Например, в первичном отстойнике остался избыточный осадок ила, содержащий недоокисленные вещества. Этот осадок плохо сохнет, содержит много болезнетворных микробов, имеет неприятный запах, привлекает мух. Его направляют на сбраживание в бескислородных условиях в специальные резервуары – метантенки, где развиваются анаэробные микроорганизмы, функционирующие при температуре от 23 до 55 °С.

В процессах метанового сбраживания с образованием газа метана участвуют микроорганизмы родов Methanococcus и Methanobacterium. Разные виды клостридий (Clostridium) разлагают целлюлозу, пектины, жиры. Очищение осадка в метантенках может длиться от 6 до 15 суток. За это время погибают яйца гельминтов (например, болезнетворные микроорганизмы), остаются единичные особи кишечной палочки Escherichia coli, а общее количество бактерий составляет не более 100 клеток в 1 мл. Высушенный осадок недоокисленных примесей содержит до 20 микроэлементов и служит неплохим удобрением.

Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.

Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного животноводства, которые имеют высокие уровни нагрузки по ВПК и ХПК (химическая потребность в кислороде), а навозные стоки – также и высокое содержание нерастворимых компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели полного смешения. Стоки евинои птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30 %. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс деградации.

В целом же анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные системы биоочистки. Однако в последние годы, вследствие более строгих требований к предварительной очистке промышленных стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процессам возрастает.

Физико-химический этап очистки стоков. Главная цель водоочистки – производство бактериально безопасной воды. Для улучшения параметров очистки применяют различные химические методы, например дополнительное осаждение фосфора солями Fe и Al, хлорирование, озонирование.

Наиболее распространенным способом дезинфекции воды является ввод в нее хлора – сильного окислителя, который добавляется к воде в виде газа или концентрированного водного раствора. Эффективность обработки хлором зависит от ряда факторов, в том числе от рН, времени обработки, температуры и наличия взаимодействующих с хлором органических веществ. Небольшое количество свободного хлора оставляют в воде на случай попадания загрязнений в потребительскую водопроводную сеть. Поскольку при бытовом использовании воды в водосток сбрасывается много колиформных бактерий, их обнаружение служит показателем бытового загрязнения (коли-индекс).

8.3. Биоочистка газовоздушных выбросов

В условиях возрастающей технологической деятельности все большую остроту приобретает проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна. Основными загрязнителями атмосферы являются предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. В воздухе крупных промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ, а концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Это органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серои галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлор, водород, галогены). В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.

Существуют различные методы очистки воздуха – физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время не столь широки.

Физические методы – это абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями.

Химические методы – это озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание и хлорирование воздуха.

Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в ограниченных масштабах. Они базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов – CO₂ и H₂O. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода – одного из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол, Hyphomicrobium – дихлорэтан, Xanthobacterium – этан и дихлорэтан, Mycobacterium – винил-хлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы. Микробиология и генетика располагают большими возможностями для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов–деструкторов токсичных веществ, включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но эффективнее применять смешанные культуры, имеющие больший каталитический потенциал, а следовательно, большую деструктурирующую способность. Для разрушения трудноутилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха впервые была предложена в 1940 г. Г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в 1980 г. в Германии (ФРГ), а уже в 1984 г. в этой стране функционировало или находилось в стадии запуска около 240 установок.

Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы – компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении (снизу вверх или наоборот). При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно, для чего требуются однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40-60 % от веса материала носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем, падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, что бывает при использовании компоста, так как при этом снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале фильтрующего слоя не должно возникать температурных градиентов и не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95-100 %. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 310 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего материала. С целью предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2-40 % от веса носителя. Чтобы избежать ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами (в результате, например, залповых выбросов), в материал вносят активированный уголь – до 250 кг/м³.

Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ, ферментативной активностью микроорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества, и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, в случае присутствия в воздухе в качестве вредных примесей комплекса соединений: бутанола, этилацетата, бутилацетата и толуола – последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают спустя некоторое время после запуска биофильтра, поскольку необходим некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного состава в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Иногда концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет.

Принцип функционирования биоскруббера (рис. 8.3) отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии и в двух различных установках нa первом этапе (в абсорбере) поглощаются токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, который растворяется в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т. д.). Цель конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз газа и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. нa второй стадии загрязненная вода поступает в аэротеик, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Рис. 8.3. Схема биоскрубберя

Рабочим телом биореактора с омываемым слоем являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с этими клетками. Он омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через него; при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем наступает через 5-10 дней после его запуска. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов. Периодически (обычно раз в несколько месяцев) биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.

Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч, к общему объему установки.

Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространенным типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительных расходов воды. Однако из-за низкого содержания микроорганизмов в единице объема материала фильтрующего слоя производительность биофильтров сравнительно невысока – от 5 до 400 м³ очищаемого воздуха на 1 м² поперечного сечения фильтрующего слоя в час. Высота биофильтров невелика – около 1 м (это обусловлено требованиями однородности структуры и газодинамическими ограничениями). Поэтому биофильтры занимают большие площади (от 10 до 1600 м²).

Степень очистки воздуха в биофильтрах достаточно высока. Например, используемые в сельском хозяйстве Германии биофильтры обеспечивают 90%-ю очистку воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров достигается созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через рабочее тело установки.

Так, немецкой фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, получаемый при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортером вновь подается в ее верхнюю часть. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха алканов, толуола, сероводорода составляет 96,7-99,9 %. Повышение эффективности работы биофильтров, безусловно, связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.

Биоскрубберы, по сравнению с биофильтрами, занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсических веществ. Их производительность существенно выше, по сравнению с биофильтрами; эффективность очистки также высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает следующие показатели: производительность – 120 тыс. м³/ч, снижение интенсивности запаха воздуха – от 75 до 85 %, степень конверсии органических примесей – 50 %.

Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Практически не уступая в степени очистки другим установкам, они характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубометров очищаемого воздуха в час). Такие малогабаритные биореакторы очень эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха от ацетона, бутанола, пропионового альдегида, этилацетата в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами достигает 90 % при удельной производительности установки 10 тыс. м³/ч.

Описаны другие подходы, применяемые для очистки воздуха, например на основе растущей суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorellaf имеющую большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100%-ю очистку воздуха при производительности установки до 1 млн м³/ч.

Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом. Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда фармацевтических производств на основе иммобилизованных микробных клеток. Производительность установки достигает: по ацетону – 164 г углерода/м³ • ч; по смеси этанол + пропанол – 57 г/м³ • ч; по дихлорэтану – 15г/м³ • ч. Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены биологические методы, включая применение различных биологических агентов – от активного ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а иммобилизованная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида. Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные соединения серы (тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут служить источником энергии для многих микроорганизмов.

Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла далее может быть окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от сероводорода и органических соединений серы с использованием тиобацилл; при анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:

5H₂S + 8NaNО₃ – 4Na₂S0₄ + H₂SO₄ + 4Н₂О + 4N₂
(CH₃)₂S + 4NaNО₃ – 2СО₂ + Na₂SO₄ + 2NaOH + 2Н₂О + 2N₂

Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.

8.4. Биогеотехнология и получение металлов

Биогеотехнология изучает процессы извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород и водных растворов под воздействием микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности при нормальном давлении и физиологической температуре (от 5 до 90 °С).

Бактериальное выщелачивание. Применение биогеотехнологии металлов обусловлено исчерпаемостью доступных природных ресурсов минерального сырья и необходимостью разработки сравнительно небогатых и трудноперерабатываемых месторождений.

Биогеотехнологические методы, такие, как микробиологическая адсорбция и бактериальное выщелачивание, позволяют получить дополнительное количество цветных металлов за счет утилизации шламов и отходов металлургических производств, переработки так называемых забалансовых руд и извлечения их из морской воды и стоков. Использование этих методов интенсифицирует добычу минерального сырья, удешевляет ее, исключает необходимость применения трудоемких горных технологий и позволяет автоматизировать процесс.

За тысячелетие до нашей эры римляне и финикийцы извлекали медь из рудничных вод. В Средние века в Испании и Англии использовали процесс «выщелачивания» для получения меди из медьсодержащих минералов. Безусловно, древние горняки не могли предположить, что активным элементом данного процесса являются микроорганизмы. Рпервые это было доказано в 1947 г., когда в США А. Колмер и Г. Хинкли выделили из шахтных дренажных вод микроорганизмы, окисляющие двухвалентное железо и восстанавливающие серу. Они были идентифицированы как Thiobacillus ferrooxidans. Вскоре было установлено, что эти железоокисляющие бактерии в процессе окисления переводят медь из рудных минералов в раствор. Позднее были выделены и описаны многие другие микроорганизмы, участвующие в процессах окисления сульфидных минералов. В 1958 г. в США был зарегистрирован первый патент на получение металлов из концентратов с помощью железоокисляющих микроорганизмов.

В настоящее время процесс бактериального выщелачивания достаточно широко применяют для получения меди. Меньшие масштабы имеет бактериальное выщелачивание урана. На основании многочисленных исследований принято считать бактериальное выщелачивание перспективным процессом для внедрения в горнодобывающую промышленность.

Обычное производство большинства металлов на начальной стадии предусматривает концентрирование металлсодержащего минерала из руды. В концентратах содержание металлов может на порядок превосходить их уровень в исходных рудах и породах. Бактериальное выщелачивание сульфидных концентратов имеет несомненные достоинства, так как может быть реализовано непосредственно в месте получения концентрата в районе разрабатываемого месторождения, без больших и дорогостоящих затрат на транспортировку. Однако лимитирующими факторами бактериального выщелачивания являются довольно низкие скорости протекания этих процессов, а также неполная растворимость некоторых металлов.

Работы последних лет показали, что экономически выгодно получать медь из халькопиритного концентрата, так как скорость выщелачивания может достигать 700 мг/л • ч, а образуемый при этом раствор содержит 30-50 г/л меди. Известны бактериальные технологии получения цинка, меди и кадмия из смешанных сульфидных концентратов с 94%-й степенью экстракции названных металлов.

В меньших масштабах применяется в горнодобывающей промышленности другой биотехнологический процесс – извлечение металлов из водных растворов. Это направление обещает существенные перспективы, так как предполагает достаточно дешевые процессы очистки стоков от металлов и экономичное получение при этом сырья.

Определенный интерес для биосорбции металлов из растворов представляют денитрифицирующие бактерии, особенно представители родов Pseudomonasr Alcaligenes, Bacillus. Эти микроорганизмы, будучи факультативными анаэробами, используют в качестве акцептора электронов окислы азота (NO₃^–, NO₃^–, N₂O) или кислород, а донорами электронов могут служить различные органические соединения, водород, восстановленные соединения серы. Сульфатвосстанавливающие бактерии, которые используют в качестве доноров электронов молекулярный водород и органические соединения, в анаэробных условиях восстанавливают сульфаты, SO₂, S₂O₂, иногда SO.

Некоторые гетеротрофные микроорганизмы способны разрушать горные породы в результате выделения органических продуктов обмена – органических кислот, полисахаридов. Источником энергии и углерода для организмов служат различные органические вещества. Так, силикатные породы деструктурируют представители рода Bacillus, разрушая связи Si-O-Si. Грибы родов Aspergillus, Penicillum и других также активные деструкторы силикатов.

Все названные выщелачивающие бактерии переводят в ходе окисления металлы в раствор, но разными путями. Различают прямые и непрямые методы бактериального окисления металлов.

Процесс окисления железа и серы бактериями является прямым окислительным процессом:
4FeSО₄ + O₂ + 2H₂SО₄ → 2Fe₂(SО₄)₃ + 2Н₂О,
8S + 12О₂ + 8Н₂О → 8H₂SО₄

В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:
4FeS₂ + 15О₂ + 2Н₂О → 2Fe₂(SО₄)₃ + 2H₂SО₄

и сфалерит:
ZnS + 2О₂ → ZnSO₄

Ион трехвалентного железа, образующийся в результате окисления бактериями двухвалентного железа, служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит:
Cu₂S + 2Fe₂(SО₄)₃ → 2CuSО₄ + 4FeSО₄ + SO

и уранит:
UO₂ + Fe₂(SO₄)₃ → UO₂SO₄ + 2FeSО₄

Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe³⁺, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называется непрямым окислением. Часто в ходе непрямого окисления минералов образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться бактериями до серной кислоты.

Сложный процесс бактериального окисления сульфидных минералов включает адсорбцию микроорганизмов на поверхности минерала или горной породы, деструкцию кристаллической решетки, транспорт в клетку минеральных элементов и их внутриклеточное окисление.

Бактериальное выщелачивание, называемое также биогидрометаллургией или биоэкстрактивной металлургией, в промышленных масштабах довольно широко применяют для перевода меди и урана в растворимую форму. Существует несколько способов проведения бактериального выщелачивания металлов. Все они основаны на стимуляции роста железоокисляющих бактерий, способных окислять двухвалентное железо и серу. Эти методы весьма экономичны и чисты в экологическом плане, достаточно просты и способны к самоподдержанию, благодаря образованию агента – растворителя металлов в виде раствора Fe³⁺. Все полученные при бактериальном выщелачивании продукты реакции находятся в растворах, которые можно легко нейтрализовать. Вредные побочные газообразные продукты отсутствуют, а процесс не зависит от масштабов его проведения. К трудностям реализации биологических методов относятся необходимость поддержания активной микробной культуры в строго контролируемых, заданных условиях; низкие, по сравнению с химическими процессами, скорости реакций, взаимосвязь процессов выщелачивания со скоростями роста микроорганизмов.

Поверхностное выщелачивание куч и отвалов в основном сводится к извлечению металлов из отходов горнодобывающей промышленности или побочных бедных руд, переработка которых обычными способами неэкономична. Методы поверхностного выщелачивания куч и отвалов, применяемые в настоящее время, мало чем отличаются от процесса, который использовали в XVIII в. в Испании на месторождении Рио-Тинто для извлечения меди из руд выветрившейся породы. Эти методы применяют обычно при извлечении меди из пород с низким ее содержанием (менее 0,4 % по весу). Такие отвалы накапливаются в больших количествах при крупномасштабной открытой разработке руды, они могут занимать огромные площади и достигать в высоту нескольких сот метров.

Выщелачивание куч несколько отличается от выщелачивания отвалов. Кучи содержат повышенное, по сравнению с отвалами, содержание металла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий срок – несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклонное водонепроницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошают выщелачивающей жидкостью, представляющей собой слабый раствор кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным металлом, профильтровавшимся через слой породы, производят снизу. При выщелачивании отвалов в них, как правило, развиваются природные микроорганизмы, а кислая среда и наличие кислорода способствуют повышению каталитической активности Thiobacillus ferrooxidans· Выщелачивающая жидкость с помощью насосов подается поверх кучи руды, распыляется по ее поверхности и, стекая вниз самотеком, фильтруется, проходя через нее. Эти обогащенные металлом растворы направляют в специальные пруды и водоемы для сбора и извлечения металла методом простого осаждения, электролизом или более сложными методами. Отработанные выщелачивающие растворы, содержащие в основном растворенное железо, регенерируют в окислительных прудах и вновь подают в отвалы.

Скорость извлечения металла при промышленном выщелачивании куч и отвалов зависит от многих факторов – активности культуры, качества руды и степени ее дисперсности, скорости фильтрации выщелачивающего раствора, аэрации. Так, при введении сжатого воздуха в толщу выщелачиваемой медной руды скорость извлечения меди возрастает на 25 %.

Применяемое, например, в штате Нью-Мексико (США) выщелачивание отвалов дает суточную добычу меди около 45-50 т. Себестоимость получаемой таким способом меди в полтора-два раза ниже, по сравнению с обычными методами гидрои пирометаллургии. В целом в США 15 % меди получают в процессах бактериального выщелачивания куч и отвалов.

Существенно реже используют микроорганизмы для выщелачивания в промышленных масштабах урана. При этом порода или руда должна быть богата сульфидными минералами и не слишком интенсивно поглощать кислород. В восточных районах Канады подземное бактериальное выщелачивание применяют для извлечения остаточного урана на выработанных площадках. Для этого стенки и крыши забоев промывают подкисленной водой. Развивающиеся естественные железобактерии Thiobacillus ferrooxidans окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, которое окисляет четырехвалентный уран до шестивалентного, переводя его в раствор:
UO₂ + Fe₂(SO₄)₃ → UO₂SO₄ + 2FeSО₄

Возможно также прямое окисление урана бактериями:
2UО₂ + O₂ + 2H₂SО₄ → 2UО₂SО₄ + 2Н₂О

Спустя три-четыре месяца забои снова промывают. Промывные воды, содержащие уран, собирают; уран извлекают растворителями либо с помощью ионного обмена. Этим способом можно извлечь до 90 % остаточного урана.

Можно применять бактериальное выщелачивание в качестве первичной технологии для получения урана – так называемой технологии in situ. Рудное тело разрушают взрывом для увеличения проницаемости и поверхностной площади. Через скважины руда инжектируется слабым раствором серной кислоты и насыщается воздухом. Через них же возможен отвод рудничных вод с извлеченным ураном. Преимуществами данного метода являются его независимость от погодных условий, сохранность поверхности месторождения и отсутствие груды отвалов.

Однако процесс выщелачивания in situ более трудоемкий, по сравнению с поверхностным выщелачиванием. Чтобы контролировать его течение и состояние микроорганизмов, необходимо создавать специальные инженерные схемы, так как в условиях глубинных залеганий пластов из-за высокого давления, гипербарии кислорода и прочих факторов возможно изменение физиологического состояния железоокисляющих бактерий, а следовательно, нарушение технологического цикла.

Наиболее сложен процесс бактериального выщелачивания в аппаратах – так называемое чановое выщелачивание. Этот тип выщелачивания применяют в горнорудной промышленности для извлечения урана, золота, серебра, меди и других металлов из окисных руд или упорных сульфидных концентратов.

Чановое выщелачивание упорных сульфидных концентратов проводят в проточном режиме в серии последовательно соединенных аппаратов большого объема (30 X 50 X 6 м) с перемешиванием, аэрацией, при стабилизации рН, температуры и концентрации микроорганизмов в пульпе. Перед загрузкой в аппараты концентраты измельчают и смешивают со слабым раствором серной кислоты. На ход процесса влияют многие параметры: рН, температура, скорость протока пульпы, ее плотность и размер частиц концентрата. Важным условием чанового выщелачивания является наличие систем, контролирующих и стабилизирующих многие из перечисленных параметров, что обеспечивает эффективное протекание процесса. Схема чанового выщелачивания сульфидных концентратов замкнутая. Оборотные воды после регенерации используют в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора.

Определенную проблему представляет обеспечение процесса инокулятом. При чановом выщелачивании работают с плотными пульпами при концентрации клеток в культуре до 1,0-1,5 г/л АСБ. Для получения активной микробной культуры существует несколько способов. Наиболее эффективен способ культивирования железоокисляющих бактерий в проточном электрохимическом культиваторе, что сопряжено с электровосстановлением субстрата. В ходе роста микроорганизмы окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, а в ходе электрохимических превращений железо восстанавливается до двухвалентного и снова служит субстратом для микроорганизмов. В промышленных масштабах чановое выщелачивание применяется при переработке комплексных медно-цинковых концентратов. В составе этих комплексных концентратов присутствуют несколько минералов – халькопирит (CuFeS₂), пирит (FeS₂), сфалерит (ZnS). За 72-96 ч выщелачивания извлекают около 90 % Zn, а также Cu и Fe – соответственно 25 и 5 %.

Оловосодержащие концентраты включают пирит, халькопирит, арсенопирит и оловянные минералы в виде окислов олова. Из этого комплекса минералов бактерии окисляют прежде всего низкопотенциальный арсенопирит (FeAsS).

Мышьяк представляет собой вредную примесь и чрезвычайно затрудняет извлечение олова или золота из таких концентратов. Селективное бактериальное выщелачивание мышьяка позволяет получить оловянный и медный концентраты. Применение этого подхода делает перерабатываемыми труднодоступные золотосодержащие концентраты, которые входят в состав пирита и арсенопирита. Золото в таких концентратах тонко вкраплено в кристаллическую решетку, и извлечь его методом цианирования можно только после ее разрушения. Пирометаллургический обжиг таких мышьяксодержащих концентратов сильно загрязняет окружающую среду вредными арсинами (AsH₃) и дает низкую степень извлечения благородных металлов, а потому малопригоден. Применение бактериального выщелачивания позволяет в экологически безопасном процессе селективно извлечь мышьяк из концентратов и перевести его в раствор. После извлечения мышьяка из таких концентратов удается также извлечь методом цианирования до 90 % золота и серебра.

Обогащение руд и концентратов относится к перспективным направлениям биогеотехнологии металлов. Весьма эффективным представляется применение для этих целей сульфатредуцирующих бактерий, с помощью которых можно разработать принципиально новые процессы и существенно улучшить существующие. При проведении процессов флотации окисленных минералов свинца и сурьмы использование сульфатредуцирующих бактерий на 6-8 % повышает извлечение минералов в результате сульфидизации окислов; в процессах флотации церуссита (PbCO₃) извлечение свинца возрастает на 20-25 %.

Применение сульфатредуцирующих бактерий для десорбции ксантогената с поверхности некоторых минералов после флотации позволяет селективно разделить некоторые минералы (медь, молибден, свинец, цинк и др.).

Следовательно, биогеотехнологические методы извлечения металлов могут дополнить (а в некоторых случаях и частично заменить) традиционные методы горнодобывающей отрасли. Так, медь и уран получают в больших масштабах в процессах кучного и подземного выщелачивания; с помощью чанового выщелачивания удается перерабатывать многие концентраты и получать цинк, медь, олово, серебро, золото и др. Разрабатываются и находят все большее применение процессы биосорбции металлов из растворов и сточных вод; намечены подходы к использованию биогеотехнологических методов при обогащении руд и концентратов. Внедрение биогеотехнологии металлов позволяет увеличивать сырьевые ресурсы, обеспечивает комплексное извлечение металлов и не требует сложной горнодобывающей техники; происходящие при этом процессы легко поддаются регулированию и автоматизации и позволяют решать многие природоохранные задачи.

8.5. Биоэнергетика

Интерес к биоэнергетике как науке о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах велик, поскольку энерговооруженность относится к факторам, определяющим уровень развития общества. В последнее время для сравнения эффективности тех или иных процессов и технологий все чаще прибегают к энергетическому анализу, который успешно используется в экологии. Основная задача энергетического анализа заключается в планировании таких методов производства, которые обеспечивают наиболее эффективное потребление ископаемых и возобновляемых энергоресурсов, а также охрану окружающей среды.

За всю историю развития человеческого общества потребление энергии в расчете на одного человека возросло более чем в 100 раз. При этом через каждые 10-15 лет мировой уровень потребления энергии практически удваивается, а запасы традиционных источников энергии (нефти, газа) истощаются. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому становится очень важным получать энергию за счет экологически чистых технологий.

Неиссякаемым источником энергии на Земле является Солнце. Каждый год на поверхность Земли с солнечной энергией поступает 3 X 20²⁴ Дж энергии. В то же время, по оценкам специалистов, разведанные запасы нефти, угля, природного газа, урана эквивалентны 2,5 X 10²² Дж, т. е. менее чем за одну неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во всех ее топливных запасах.

Важным направлением является поиск новых источников энергии. Так, величина солнечной энергии, падающей на неосвоенные территории, например пустыни (около 2107 км²), составляет около 51 тыс. кВт • ч. При освоении этой энергии хотя бы с 5%-м КПД уровень мирового производства энергии можно увеличить более чем в 200 раз. Таким образом, при возможном народонаселении земного шара в 10 млрд человек получение энергии только с поверхности зоны пустынь будет в 10-12 раз превышать энергетические потребности человечества.

Принципиально возможно также освоение солнечной энергии, падающей на поверхности морей и океанов. При этом первично преобразование солнечной энергии происходит за счет синтеза биомассы фитопланктона; вторичный процесс представляет собой конверсию биомассы в метан и метанол. Плантации микроводорослей, по оценкам специалистов, являются наиболее продуктивными системами: 50-100 т/га в год.

Растительный покров Земли составляет свыше 1800 млрд т сухого вещества, образованного в процессах фотосинтеза лесными, травяными и сельскохозяйственными экосистемами. Существенная часть энергетического потенциала биомассы потребляется человеком. Для сухого вещества простейшим способом превращения биомассы в энергию является сгорание, в процессе которого выделяется тепло, преобразуемое далее в механическую или электрическую энергию. Сырая биомасса также может быть преобразована в энергию в процессах биометаногенеза и получения спирта.

Получение топлива по схеме «биомасса – биотехнология» основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства, кормопроизводства и ферментации с использованием тех или иных биологических агентов.

Научные и аналитические исследования последнего десятилетия приводят к выводу, что наиболее эффективными и обнадеживающими для крупномасштабного преобразования солнечной энергии являются методы, основанные на использовании биосистем, в числе которых достаточно хорошо освоенные биологические технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также принципиально новые разработки, направленные на модификацию и повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, создание биотопливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Биометаногенез, или метановое брожение, давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет собой смесь из 65-75 % метана и 20-35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 5-7 ккал/м³; 1 м³ биогаза эквивалентен 4 кВт • ч электроэнергии; 0,6 л керосина; 1,5 кг угля и 3,5 кг дров. Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компремированный газ можно транспортировать и использовать (после предварительной очистки) в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. Очищенный биогаз аналогичен природному газу.

В процессах биометаногенеза решается не только проблема воспроизводства энергии, эти процессы чрезвычайно важны в экологическом плане, так как позволяют решать проблему утилизации и переработки отходов – производственных и технологических, сельскохозяйственных и промышленных, а также бытовых, включая сточные воды и твердый мусор городских свалок.

В сложных процессах деструкции органических субстратов и образования метана участвует микробная ассоциация различных микроорганизмов. В ассоциации присутствуют микроорганизмы-деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органической массы с образованием органических кислот (масляной, пропионовой, молочной), низших спиртов, аммиака, водорода; ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода, и, наконец, собственно метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и окислы углерода в метан.

С биохимической точки зрения метановое брожение – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества, являющегося конечным продуктом брожения). Донорами электронов для метаногенов служит водород, а также уксусная кислота.

Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов, в числе которых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др. Это представители родов Enterobacteriaceae, Lactobacilaceaet Streptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомассы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органических кислот в уксусную существенное значение имеют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий.

«Венцом» метанового сообщества являются собственно метаногенные, или метанобразующие, бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстратами для реализации этих реакций являются водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.:
4Н₂ + CO₂ → CH₄ + 2Н₂О

Несмотря на то что метанобразующие бактерии выделены и описаны сравнительно недавно – в середине 1980-х гг., их возникновение относят к Архею и возраст оценивают в 3,0-3,5 млрд лет. Эти микроорганизмы достаточно широко распространены в природе в анаэробных условиях. Вместе с другими микроорганизмами активно участвуют в деструкции органических веществ с образованием биогаза в морских осадках, болотах, речных и озерных илах. От прокариотических микроорганизмов архебактерии отличаются отсутствием муреина в клеточной стенке; специфическим, не содержащим жирных кислот составом липидов; наличием специфических компонентов метаболизма в виде кофермента M (2-меркаптоэтансульфоновая кислота) и фактора F420 (особый флавин); специфической нуклеотидной последовательностью 16S рРНК.

Внутри данной группы отдельные представители метанобразующих бактерий могут существенно отличаться друг от друга по ряду показателей, включая содержание Г – Ц в ДНК. На этом основании их подразделяют на три порядка, которые включают несколько семейств и родов. К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 метанобразующих бактерий; список этот непрерывно пополняется. Наиболее изучены метанобактерии Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium. Все метаногены – строгие анаэробы; среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы; гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанобразующих бактерий является также способность активно развиваться в тесном симбиозе с другими группами микроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и субстратами для образования метана.

В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообразное сырье – различную растительную биомассу, включая отходы древесины, несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабатывающей промышленности, специально выращенные культуры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных ферм, промышленные и бытовые стоки, ил очистных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся методам переработки, также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз.

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производительности можно подразделить на несколько категорий: реакторы для небольших ферм сельской местности (1-20 м³), реакторы для ферм развитых стран (50-500 м³), реакторы для переработки промышленных стоков, например спиртового и сахарного производств (500-10 000 м³), и реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (до 20 тыс. м³).

Метантенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнообразную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции и детали этих установок несколько варьируют, что связано в основном с типом перерабатываемого сырья. Существует огромное разнообразие установок для реализации процесса метаногенеза, конструкционные детали и компоновка которых определяются приоритетностью задачи, решаемой в конкретном процессе: либо это утилизация отходов и очистка стоков, либо получение биогаза требуемого качества. Так, среди действующих в развитых странах установок есть как средние, так и большие по объему аппараты (дайджестеры), снабженные устройствами для очистки и компремирования биогаза, электрогенераторами и очистителями воды. Такие установки могут входить в состав комплексов с промышленными предприятиями (сахароперерабатывающими, спиртовыми, молокозаводами), канализационными станциями или крупными специализированными фермами. Когда главной целью процесса является утилизация отходов, в конструкции установок должен быть предусмотрен блок для фракционирования и отделения крупных твердых частиц.

Метантенки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов. Простейшая конструкция метантенка – это обычная бродильная яма в грунте с фиксированным объемом газа. Метантенк представляет собой герметичную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снабженную устройствами для дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером – емкостью переменного объема для сбора газа. Очень важно, чтобы в метантенках обеспечивался требуемый уровень перемешивания весьма гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому, в отличие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и перемешивания, перемешивание при метаногенезе главным образом должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

В зависимости от типа исходного материала, сбраживаемого в метантенке, интенсивность процесса, включая скорость подачи и полноту переработки, существенно варьирует. При переработке жидких отходов животноводческих ферм соотношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ от 8 до 11 % по весу. Смесь материала обычно засевают ацетогенными и метанобразующими микроорганизмами из отстоя сброженной массы от предыдущего цикла или другого метантенка. Температура и, следовательно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется при 50-60 °С, для мезофильных – при 30-40 °С, для психрофильных – около 20 °С. При повышенных температурах скорость процесса в два-три раза выше, по сравнению с мезофильными условиями.

В ходе сбраживания органической массы на первой (так называемой кислотной) фазе в результате образования органических кислот снижается рН среды. При резком сдвиге рН среды в кислую сторону возможно ингибирование метаногенов. Поэтому процесс ведут при рН 7,0-8,5. Против закисления используют известь. Снижение рН среды служит своеобразным сигналом о том, что процесс деструкции органики с образованием кислот закончен, т. е. в аппарат можно подавать новую партию сырья для переработки. Оптимальное соотношение С : N в перерабатываемой органической массе находится в диапазоне 11-16 : 1. Изменение соотношения С : N в исходном материале в сторону увеличения содержания азота приводит к выделению аммиака в среду и защелачиванию. Поэтому жидкие навозные отходы, богатые азотсодержащими компонентами, разбавляют резаной соломой или различными жомами.

Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермичны и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева загружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от температуры процесса, количество биогаза, идущего на обогрев процесса, может достигать 30 % от объема получаемого.

Скорость поступления сырья на переработку или время удержания сырья в аппарате являются важными и контролируемыми параметрами. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки и тем меньше время удержания. Однако важным условием стабильности процесса биометаногенеза, как и любой проточной культивационной системы, является сбалансированность потоков субстрата со скоростью размножения продуцента.

Скорость подачи субстрата в метантенк должна быть равной скорости роста бактерий метанового сообщества, при этом концентрация субстрата (по органическому веществу) должна быть стабилизирована на уровне не ниже 2 %. При уменьшении концентрации субстрата плотность бактериального сообщества снижается, и процесс метаногенеза замедляется.

Наибольший выход продукции обеспечивается более высокой скоростью подачи субстрата, что, в свою очередь, требует стабилизации в аппарате достаточно высокой концентрации микроорганизмов.

Возможны осложнения процесса, которые зависят от характера перерабатываемой органики. Если в перерабатываемом материале содержится много труднорастворимых веществ, в реакторе накапливаются неразрушенные твердые вещества (до 80 % осадка). При больших количествах растворимой и легкодоступной органики образуется большое количество микробной биомассы в виде активного ила (до 90 % осадка), который трудно удержать в реакторе. Чтобы избежать подобных осложнений, применяют химический или ферментативный гидролиз исходного сырья (помимо его механического измельчения), обеспечивают оптимальное перемешивание в метантенке подаваемого сырья с активным илом, перемешивают осадок и т. д.

Нормы загрузки сырья в существующих процессах метаногенеза колеблются в пределах 7-20 % объема субстрата от объема биореактора в сутки. Цикличность процесса – 5-14 суток. Обычно время сбраживания животноводческих отходов составляет около двух недель. Растительные отходы перерабатывают дольше – 20 суток и более.

Особенно трудны для переработки твердые отходы, поэтому переработка более длительна. В результате модификации и усовершенствования процесса можно существенно изменить скорость протока сырья через метантенк. Цикличность процесса может быть сокращена до 5-15 ч при увеличении скорости загрузки до 150-400 % от общего суточного объема.

Интенсифицировать процесс можно повышением его температуры и использованием термофильного сообщества, но это требует дополнительных энергозатрат. Для увеличения эффективности метанового сообщества в метантенке применяют так называемые анаэробные биофильтры, или метантенки второго поколения. В анаэробном биофильтре микроорганизмы находятся в иммобилизованном состоянии. В качестве носителя используют галечник, керамзит, стекловолокно и др. В таких конструкциях сбраживание материала происходит при существенно меньшей величине текущей концентрации субстрата (0,5 % сухих веществ) с большими скоростями. Это позволяет повысить интенсивность деструкции отходов при уменьшении объемов реакторов.

Эффективно также пространственное разделение процесса в соответствии с характерной для него (с точки зрения химизма процесса) двухфазностью. Процесс реализуется в двух, соединенных последовательно реакторах. В первом аппарате осуществляется анаэробное разложение органики с образованием кислот, окислов углерода и водорода (кислотная стадия). Параметры процесса брожения в аппарате задаются на уровне, обеспечивающем требуемый выход кислот и рН культуры не выше 6,5. Полученная барда поступает во второй аппарат, в котором происходит процесс образования метана. В такой системе можно независимо варьировать условия ферментации (скорость протока, рН, температуру) в каждом аппарате с учетом создания оптимальных условий для развития микроорганизмов-деструкторов в первом и метаногенов – во втором аппарате. Применение такой биосистемы в два-три раза повышает интенсивность процесса.

Производство биогаза стало одним из основных принципов энергетической политики ряда стран Тихоокеанского региона. Правительство Китая уделило больше внимания и вложило много средств в становление биогазовой промышленности, особенно в сельской местности. В рамках национальной программы были созданы условия для строительства сети заводов, выпускающих биогазовые установки. Правительство поощряло это направление и пошло даже на создание сети региональных и местных структур, ответственных за биогазовую программу. Государственные банки предоставляли населению льготные ссуды и материалы для строительства установок. В 1978 г., через три года после принятия программы, в стране функционировало свыше 7 млн установок, что в 15 раз превосходило уровень 1975 г. В год вырабатывалось около 2,6 млрд м³ биогаза, что эквивалентно 1,5 млн т нефти. В начале 1980-х гг. в Китае производилось до 110 млрд м³ биогаза, что эквивалентно 60-80 млн т сырой нефти, а уже через несколько лет было создано до 70 млн установок, которые покрывали бытовые потребности в энергии примерно 70 % крестьянских семей. В Индии также большое внимание было уделено получению энергии в процессах биометаногенеза при утилизации сельскохозяйственных отходов.

Строительство биогазовых установок начато на Филиппинах, в Израиле, странах Латинской Америки. Интерес к данной технологии в середине 1980-х гг. усилился в странах Центральной Европы, особенно в ФРГ и во Франции. Комиссариатом по солнечной энергии Франции в середине 1990-х гг. было выделено 240 млн франков на создание и распространение биогазовых установок в сельской местности. Французским исследовательским институтом прикладной химии было показано, что при утилизации и переработке навоза сельскохозяйственных ферм можно полностью обеспечить потребности в энергии комплекса из 30 голов крупного рогатого скота или 500 свиней.

В середине 1990-х гг. в странах Евросоюза функционировало около 600 установок по производству биогаза из жидких сельскохозяйственных отходов и около 20 установок, перерабатывающих твердый городской мусор. В пригородах Нью-Йорка установка по переработке содержимого городской свалки производит около 100 млн м³ биогаза в год. Интегрированные национальные программы многих стран Африки и Латинской Америки, имеющих огромные количества сельскохозяйственных отходов (свыше 90 % мировых отходов цитрусовых, бананов и кофе, около 70 % отходов сахарного тростника и около 40 % отходов мирового поголовья скота), в настоящее время ориентированы на получение биогаза.

8.6. Ксенобиотики и их биодеградация

Ксенобиотики – чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Они временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и вредно влияют на все живое. Накопление в огромных количествах различных отходов привело к чрезвычайному загрязнению окружающей среды – недр, воды, воздуха, что представляет огромную опасность для человечества.

Судьба ксенобиотиков определяется комплексом физических, химических и особенно биологических факторов. Их биологическая трансформация может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации.

Ксенобиотики, которые подвергаются полной деградации (т. е. минерализуются до диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов), используются микроорганизмами в качестве основных ростовых субстратов и проходят полный метаболический цикл.

Частичная трансформация соединений происходит, как правило, в процессах кометаболизма или соокисления и не связана с включением образуемых продуктов в метаболический цикл микроорганизмами.

Некоторые ароматические углеводороды и синтетические полимеры вообще не поддаются биологической трансформации.

Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязанных факторов: структуры и свойств самого соединения, физико-химических условий среды и ее биокаталитического потенциала, определяемого микробным сообществом. Все эти факторы в совокупности определяют скорость и глубину трансформации соединений. Нельзя забывать о том, что биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходят их полная минерализация, разрушение и детоксикация. Это может быть достигнуто в результате всего одной модификации структуры соединения. Однако часто в ходе деградации происходит серия последовательных изменений исходного соединения с участием нескольких микробных видов. Именно благодаря гетерогенности природных микробных сообществ ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды.

Существует два пути борьбы с загрязнением биосферы ксенобиотиками: их сбор и детоксикация до момента попадания в окружающую среду; трансформация или удаление ксенобиотиков, попавших в окружающую среду.

Возможности микробных сообществ по деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению как субстрату селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта.

Для отбора и селекции микроорганизмов, характеризующихся высокой скоростью деградации определенных классов ксенобиотиков, возможно использование различных путей: отбор конститутивных мутантов, отбор на генетическую дупликацию и на основе механизма переноса генов. Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам.

При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми катаболическими свойствами. В настоящее время идентифицированы разнообразные природные плазмиды, способствующие катаболизму веществ и встречающиеся у различных представителей почвенной микрофлоры. Особенно часто они встречаются среди рода Pseudomonas. Информация, которую несут плазмиды, может расширить круг субстратов хозяина за счет объединения двух метаболических путей, либо полным кодированием нового пути, либо дополнением существующих метаболических путей. Внутрии межплазмидные рекомбинации приводят к перестановке генов на плазмидах и возникновению новых метаболических путей. Известны также случаи перераспределения генетического материала между плазмидами и хромосомой хозяина, приводящие к появлению совершенно новых генов. Пластичность катаболических плазмид обеспечивает перераспределение генетического материала, что может привести к возникновению в природе нового организма, эффективно деградирующего новый субстрат.

Таким образом, природные генетические механизмы обмена информацией позволяют получать эффективные штаммы-деструкторы ксенобиотиков. Это очень важно, так как общепринятые методы работы с рекомбинантными ДНК, применяемые для клонирования чужеродной ДНК с небольшим числом генов, имеют существенные ограничения при клонировании метаболических путей деградации ксенобиотиков, кодируемых десятками генов. Ограничения также обусловлены недостатком знаний о механизмах деградации и структуре метаболических путей, а также возможностями риска, связанного с попаданием сконструированных организмов в среду. Методы генетической инженерии могут быть полезными и для модификаций уже существующих микробных клеток со способностью к биодеградации.

Известно, что большинство пестицидов, попадающих в окружающую среду при обработке сельскохозяйственных культур, расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложное соединение достаточно эффективно происходит под воздействием микробных сообществ. При этом уже на первой стадии микробной трансформации высокая токсичность ряда пестицидов может утрачиваться, что позволяет разрабатывать относительно простые микробиологические методы борьбы с ксенобиотиками. Описаны опыты успешного применения ферментов (гидролаз, эстераз, ациламидаз и фосфоэстераз) для проведения первичного гидролиза пестицидов и увеличения степени их последующей биодеградации. Например, с помощью паратионгидролазы из Pseudomonas sp. можно достаточно эффективно удалять остаточный паратион из контейнеров с данным пестицидом, а растворы данного фермента применяют для уничтожения разливов паратиона на почвах. На основе иммобилизованных ферментов удаляют пестициды из сточных вод, ферменты применяют также в виде аэрозолей для удаления пестицидов с промышленных установок.

Большую опасность для окружающей среды представляют полиароматические углеводороды. Так, полихлорбифенилы (ПХБ) – очень устойчивые соединения, долго присутствующие в окружающей среде в результате прочной адсорбции биологическими и осадочными породами, а также плохой миграции. Микроорганизмы не способны полностью деградировать эти соединения, но могут модифицировать их.

Установлена способность микробных сообществ превращать промышленные ПХБ в новые типы углеводородов, при этом молекулы с низкой степенью хлорирования расщепляются. Устойчивое полиароматическое соединение бензапирен не минерализуется в системах активного ила, хотя описано несколько видов микроорганизмов, способных частично его метаболизировать. В ходе деградации бензапирена образуются канцерогенные соединения (гидроксии эпоксипроизводные).

Также устойчив к деградации полистирол, хотя описано несколько случаев частичной деградации измельченных автомобильных шин, изготовленных из стиролбутадиеновой резины. Есть сообщения о росте микробного сообщества на стироле, в ходе которого разрушается ингибитор полимеризации 4-трет-бутилкатехол; далее происходит свободнорадикальная полимеризация стирола с осаждением образующегося полистирола. Этот полимер впоследствии под воздействием микробного сообщества исчезает из почвы.

Одна из крупнейших групп загрязнителей природы – галогенсодержащие ксенобиотики, которые характеризуются высокой токсичностью и низкой способностью к разрушению. Причина их токсичности и устойчивости определяется наличием в них трудно расщепляемой галогенуглеродной связи.

Однако, как оказалось, ряд галогенсодержащих соединений являются природными образованиями и представляют собой метаболиты бактерий, грибов, водорослей. Это определило судьбу отдельных галогенсодержащих соединений в природе.

Для эффективной трансформации родственного ксенобиотического соединения необходима адаптация микроорганизма, включая его генетическую изменчивость. Длительные исследования путей деградации галогенсодержащих ксенобиотиков показали, что для получения суперштамма, эффективно их разлагающего, нужно модифицировать существующий механизм деградации ароматических соединений.

Идея конструирования катаболических путей принадлежит М. Рейнеке и Кнакмуссу, создавшим штамм Pseudomonas9 способный разрушать 4-хлорбензоат. В эксперименте по скрещиванию Pseudomonas putida PaWl9 обладающего TOL-плазмидой pWWO с Pseudomonas sp. B13 (pWR1), утилизирующим 3-хлорбензоат, они получили трансконъюгат, способный использовать 4-хлорбензоат в результате переноса гена толуол-1,2-диоксигеназы (контролируемого плазмидой pWWO) в штамм Pseudomonas sp. B13. Аналогичный результат был получен при совместном культивировании в хемостате двух культур – P. aeruginosa, содержащей плазмиду рАС25, и культуры, содержащей TOL.

Первая плазмида, связанная с катаболизмом галогенированных органических соединений (2,4-Д), была обнаружена у Alcaligenes paradoxus, затем у других микроорганизмов. Позже появилась серия публикаций о деградации 2,4-Д, однако сообщения по разрушению 2,4,5-трихлоруксусной кислоты (2,4,5-Т) были крайне редки. Впоследствии при совместном культивировании в хемостате в течение 8-10 месяцев микробных культур, содержащих несколько катаболических плазмид, при постепенном увеличении концентрации 2,4,5-Т получили штамм, способный к деградации 2,4,5-Т и трихлорфенола.

Биологические методы применимы также для очистки природной среды от нефтяных загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной промышленности, так и непосредственное загрязнение в результате разлива нефти. Сточные воды нефтяной промышленности очищают биологическими методами после удаления физическими методами большей части смеси различных углеводородов. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти сообщество. Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также от температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется, когда нефть эмульгирована в воде.

Особую проблему представляют выбросы и аварийные разливы нефти на поверхность почвы. Это приводит к загрязнению не только пахотных земель, но и источников питьевой воды. В почве содержится много микробных видов, способных деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в частности и за счет дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным является внесение в почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых входят соединения азота, фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации которых в почве достаточно низки и лимитируют рост микроорганизмов. После внесения этих соединений в почву концентрация микроорганизмов-деструкторов существенно возрастает, как и скорость деградации нефти.

С помощью генетического конструирования создан «супермикроб» с плазмидами ОСТ и САМ. Такая мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть. Однако возможность эффективного применения данного организма в естественных условиях требует доказательств.

Изучение возможностей использования методов генетического конструирования микробных штаммов-деструкторов ксенобиотиков в практических целях находится на ранней стадии. Одна из основных проблем при конструировании микроорганизмов на основе природных катаболических плазмид – стабильность. Стабильность систем «хозяин – вектор» особенно важна при интродукции штаммов в естественную среду. При возвращении микроорганизма с новой катаболической функцией в исходную природную среду ему приходится конкурировать с хорошо адаптированной к данным условиям среды естественной микрофлорой, сталкиваться с огромным разнообразием источников углерода, в том числе высокотоксичных. При этом совершенно не ясны перспективы сохранения стабильности новой катаболической функции, а следовательно, самого штамма. Пока же существует большой разрыв между достижениями в области конструирования микроорганизмов и возможностями их практического применения. В будущем наиболее перспективными для детоксикации ксенобиотиков представляются биологические системы, состоящие из микробиологической консорции индивидуальных организмов и микробных сообществ, полученных методами клеточной и генетической инженерии.

8.7. Биоремедиация

Все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) для поддержания жизни поглощают и переваривают питательные вещества и выделяют в окружающую среду образующиеся при этом продукты жизнедеятельности. Разным организмам для поддержания жизни необходимы разные питательные вещества. Некоторые бактерии «с удовольствием» поглощают химические соединения, содержащиеся в отходах, другие питаются токсическими химикатами, такими, как метиленхлорид, детергенты и креозот.

Специалисты в области охраны окружающей среды пользуются двумя методами биоремедиации (биовосстановления) зараженных органическими отходами земель: вносят в зараженную почву либо специализированные штаммы бактерий, либо питательные вещества, стимулирующие активность уже присутствующих там микроорганизмов. Бактерии поглощают токсины и разлагают их до безвредных продуктов жизнедеятельности. После того как весь запас токсических соединений переработан, численность популяции бактерий-очистителей возвращается к нормальному уровню или же они отмирают.

Различные методы биоремедиации с помощью природных микроорганизмов применяют для обезвреживания промышленных отходов перед их выбросом в окружающую среду, а также для очистки уже существующих загрязнений. В настоящее время несколько усовершенствованных систем очистки, использующих генетически модифицированные микроорганизмы, проходят тестирование на эффективность обезвреживания плохо поддающихся деградации соединений.

В некоторых случаях продукты жизнедеятельности микроорганизмов – «борцов» за чистоту окружающей среды – сами обладают полезными свойствами. Например, бактерии, расщепляющие образующиеся в процессе производства бумаги соединения серы, выделяют метан.

Одним из направлений биоремедиации является фиторемедиация – комплекс методов очистки вод, почв и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений. На использовании растений были основаны первые простейшие методы очистки сточных вод (поля орошения и поля фильтрации). Первые научные исследования в этом направлении были проведены в 1950-х гг. в Израиле. Активное развитие метода фиторемедиации началось только в 1980-х гг. Известно, что растение воздействует на окружающую среду разными способами, основными из которых являются:

• ризофильтрация – корни всасывают воду и химические элементы, необходимые для жизнедеятельности растений;
• фитоэкстракция – накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжелых металлов);
• фитолатилизация – испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;
• фитостабилизация – перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);
• фитодеградация – деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;
• фитостимуляция – стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки.

Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы. Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта). В связи с этим процесс очистки происходит также вне периода вегетации (т. е. не только летом) с несколько сниженной активностью.

В фиторемедиации может быть использован широкий спектр водных растений (гидроботаническая очистка). К ним относятся тростник (Phragmiittes communiis), ива (Salix cinerea, Salix peuntandra), ряска (Lemna sp.) и др.

В настоящее время проводятся активные исследования по поиску гипераккумуляторов веществ. Так, в фиторемедиации уже применяется водяной гиацинт (Eichhornia crassipes). Изучаются возможности генетической модификации растений, например их трансформации бактериальными генами, ответственными за деградацию органических веществ, в частности метилртути и взрывчатых веществ. Ученым удалось получить растения, которые могут поглощать мышьяк из почвы. Для этого в геном Arabidopsis thaliana ввели два гена из генома бактерии Е. coli. Соединения мышьяка обычно накапливаются в почве вблизи районов добычи полезных ископаемых и хранения промышленного мусора. Даже небольшая концентрация мышьяка вызывает повреждения нервной системы и способствует возникновению рака. Очень опасно, когда мышьяк попадает в воду. Особенно тяжелая ситуация с загрязнением соединениями мышьяка сложилась в Бангладеш и индийском штате Западная Бенгалия, где от этого страдают миллионы людей.

Традиционные методы очистки почв, загрязненных соединениями мышьяка, кадмия, ртути, меди и цинка, предполагают полное удаление почвы в этих регионах, перевоз и хранение ее в другом месте. Однако если соединения мышьяка будут накапливаться в листьях и стеблях растений, то методы очистки станут намного дешевле и безопаснее. Полагают, что с помощью методов генетической инженерии можно получить и разновидности растений, способных извлекать из почвы другие вредные вещества.

Преимущества биоремедиации заключаются в:

• наличии условий для проведения ремедиации irt situ;
• относительно низкой себестоимости проводимых работ, по сравнению с традиционными очистными сооружениями;
• безопасности метода для окружающей среды;
• теоретической возможности экстракции ценных веществ из зеленой массы растений (Ni, Au, Cu);
• возможности мониторинга процесса очистки;
• высоком уровне очистки, который не уступает традиционным методам, особенно при небольшом объеме сточных вод (например, в сельской местности).