Пестициды

6.3 Пестициды

Слив отходов производства пестицидов сегодня строго контролируется; технология очистки сточных вод или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках или при промывке и замене контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ, идущей, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться токсичность пестицидов или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстразы, ациламиназы и фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он должен обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть нечувствительным к небольшим количествам растворителей и тяжелых металлов, не ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных систем, а также хорошо храниться. В ряде случаев в качестве биологического агента детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остаточного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратиона в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раствора и концентрации фермента. При этом значительные количества пестицида были обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов — это очистка сточных вод. Были описаны гидролазы для детоксикации других пестицидов. Многие из них обладают широкой субстратной специфичностью, что открывает большие возможности для создания других простых систем детоксикации пестицидов. В будущем подобные системы смогут применять при промывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэрозолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использования.

7 Ликвидация токсичных и опасных отходов

Ликвидация токсичных и опасных отходов на свалке, отдельно или вместе с твёрдыми отходами, требует тщательного выбора места свалки и материала для ограждения. Часто токсичные и опасные жидкие отходы и илы подвергаются стабилизации или отверждению перед их ликвидацией на свалке.

Ликвидация токсичных и опасных твёрдых отходов вместе с обычными требует учёта следующих факторов: типа отходов (твёрдые, ил, жидкие), совместимости видов микроорганизмов, нагрузки, испарения, скорости вымывания, характеристик твёрдых отходов, температуры и водного баланса в данном месте.

Механизм ослабления вредных воздействий может быть как микробиологическим, так и физико-химическим. Так, при ликвидации отходов, содержащих соли бария, было показано, что основную роль играют физико-химические механизмы, в основном адсорбция. Микроорганизмы косвенно участвуют в этом процессе, так как происходит осаждение бария в виде карбоната за счёт выделяемого микроорганизмами диоксида углерода, а присутствие жирных кислот существенно влияет на подвижность бария за счёт образования комплексов.

Радиоактивные отходы также могут быть подвергнуты микробной трансформации. Если такие изотопы, как ³Н, ⁵⁸Со, ⁸⁵Sr и ¹³⁴Cs, нуждаются только в косвенном проявлении микробной активности, то ликвидация соединений мышьяка требует прямого участия микроорганизмов в процессах восстановления и метилирования до ди- и триметиларсина.

8 Компостирование органических отходов

Компостирование – это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы.

Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В процессе компостирования удовлетворяется в основном потребность в кислороде, органические вещества переходят в более стабильную форму, выделяются диоксид углерода и вода и возрастает температура. В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать в кучи, что позволит сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс и есть процесс компостирования.

Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и мультидисперсность субстрата, необходимая для нормальной аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются аэрации. Их необходимо смешивать с твёрдым материалом, собирающим влагу, который обеспечит дополнительный углерод и нужную для аэрации структуру смеси.

В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий – более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20⁰С, для мезофиллов – от 20 до 40⁰С и термофилов – свыше 40⁰С. Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.

Заключение

Развитие всех современных направление биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком базируются на научных достижениях. При этом то, что лишь недавно было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в производство. Круг наук, результаты которых воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Таким образом, расширяются возможности и сферы самой биотехнологии. Вероятно, в будущем не будет ни одного направления человеческой деятельности, которое не было бы в тех или иных пределах связано с биотехнологией.

Расширение сферы внедрения биотехнологии изменяет соотношение в системе «человек – производство – природа», повышает производительность труда, принципиально изменят его качество. Биологизация производства в целом – одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к не- обратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение это- го противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.

Практическая часть

Задача №1. При инокулировании клетками E.coli 25 мл пептонной среды исходная численность популяции составила 3,8*10⁶ клеток; инкубация происходила при 37^оС. Стационарная фаза (3*10⁹ кл/мл) была достигнута через 284 мин; лаг-фазы не было. Каково среднее время генерации на пептонной среде?

Задача №2. Клетки E.сoli росли на среде, содержащей фруктозу в количестве 0,5 г/л (единственный источник углерода); сахар был полностью исчерпан за 528 минут. Концентрация клеток при инокулировании 5*10⁴ кл/мл. Соотношение между стационарной популяцией бактерий и концентрацией фруктозы линейно до концентрации сахара 0,8 г/л (при этой концентрации численность популяции бактерий составляет 3,2*10⁸ кл/мл). Определите среднее время генерации организма в этой среде. Какова продолжительность периода времени до начала снижения роста в условиях избытка фруктозы (при том же количестве инокулянта). Можно принять, что нарушение линейности между суммарным ростом и концентрацией фруктозы происходит очень резко.

Задача №3. Для бактериологического анализа через мембранные фильтры профильтровано 10 мл воды до хлорирования и 1 л хлорированной воды. Определить коли – индекс и эффективность процесса обеззараживания, если при выращивании на среде Эндо в первом случае на фильтре обнаружено 40 специфических колоний, а во втором – 3. Оценить пригодность такой воды для питьевых целей.

Задача №4. Среда, содержащая глюкозу в концентрации 0,25 г/л и неизвестное количество галактозы, была инокулирована E.coli (5,2*10⁵ кл/мл среды). Лаг-фаза отсутствовала. Среднее время генерации было равно 40 минут (при утилизации глюкозы); после исчерпания глюкозы клетки адаптированлись к галактозе, а затем продолжали расти со средним временем генерации 45 минут. Численность популяции достигла стационарного состояния (3,1*10⁶ кл/мл) через 6,5 ч после инокуляции. Определите продолжительность фазы адаптации между двумя циклами роста, а также концентрацию галактозы в среде. Известно, что соотношение между стационарной популяцией микробов и концентрацией сахаров линейно до концентрации 0,9 г/л (для каждого сахара), когда численность популяции достигает 3,7*10⁶ кл/мл.

Задача №5. Клетки Aerobacter aerogenes росли в начале в анаэробных условиях, затем их инокулировали в глюкозо-аммонийно-сульфатную среду, в которой они росли в условиях слабого аэрирования при 37^оС. Сразу после внесения инокулянта концентрация бактерий составила 2*10⁶ кл/мл. Далее проводили определение числа клеток во времени; были получены следующие данные:

Определите графически среднее время генерации организма в данных условиях; имеется ли лаг-период и, если имеется, какова его продолжительность?

Задача №6. Aerobakter sp. Выращивали в условиях непрерывного процесса на небольшой опытной установке, имеющей сосуд ёмкостью 20 л. Источником углерода в аммонийной солевой среде является глицерин (концентрация 5 г/л). Какова концентрация бактериальной суспензии при условии, что скорость поступления среды равна 5,0; 10,0; 20,0 л/ч, и какова при этом будет величина «выхода» клеток для системы?

В ряде экспериментов в условиях однообразной культуры было установлено, что при достижении предельного роста на казанной выше среде можно получить 1,325 г сухой бактерии в 1л среды; максимальная удельная скорость роста составляет 0,85 ч^-1моль/л.

Список используемой литературы

1.  Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. – Л.: Химия, 1990. – Пер. изд.: Великобритания, 1987. – 384 с.: ил. ISBN 5 – 7245 – 0418 – 9

2.  Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: КолосС, 2004. – 296 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

3.  Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 272 с.

4.  Биотехнология / Т.Г. Волова. – Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. – 252 с.

5.  Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. – Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. – Ч.2. – 96с.

6.  Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 280201 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончарова. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. – 28 с.

Похожие работы

Биотехнология и переработка отходов. Биогаз

Скачать

13837

0

0

... . За счет их деятельности расщепляется целлюлоза, синтезируются жирные кислоты. Далее – бактерии, образующие водород и уксусную кислоту. И, наконец, водородотрофные метанообразующие бактерии. Аэробная переработка отходов в сельском хозяйстве Применение в животноводстве интенсивных технологий привело к образованию большого количества разнообразных отходов, для использования которых может не ...

Переработка ТПО** и ТБО после проведения сепарации ТБО по группам

Скачать

68643

2

6

... в 1976 году (с некоторыми перерывами) можно сделать следующие выводы и дать практические рекомендации. 1.            Экологическая биотехнология переработки фракции ТБО (пищевые отходы, отходы древесины, целлюлозное волокно в виде бумаги и картона), а также часть ТПО, состоящая из древесных отходов, целлюлозно-бумажных и картонных отходов заключается в строжайшем соблюдении всех нижеприводимых ...

Экологические проблемы птицефабрик России и роль биотехнологии в переработке органических отходов

Скачать

18571

0

0

... системах всех уровней, причем в самых разнообразных отраслях науки, промышленного производства, медицины, но в решении, так называемых птицеводческих экологических проблем, биотехнология пока не заняла первое место. При переработке органических отходов все еще используют технологии, включающие физические методы воздействия на сырье, высокотемпературные режимы с использованием большого количества ...

Переработка целлюлозно-бумажных и картонных отходов в ценные товарные продукты

Скачать

23359

0

9

... , минуя стадию обогащения (бучения и отбелки ЦТО), которую здесь можно исключить. Na-КМЦ, как наиболее интересный и реальный ценнейший товарный продукт с очень широким ассортиментом применения можно получать практически из всех видов целлюлозно-бумажных и картонных отходов. Для этого не надо проводить очистку ЦТО и обогащение с целью получения более чистой технической целлюлозы, а вполне можно ...