РЕФЕРАТ
На тему:
«Природозащитныемероприятия, современные биотехнологии охраны окружающей природной среды»
1.Современные биотехнологии охраны окружающей среды
Защитаокружающей среды – это комплексная проблема, которая может быть решена толькосовместными усилиями специалистов различных отраслей науки и техники. Наиболееэффективной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия промышленныхпредприятий является переход к малоотходным и безотходным технологиям, а вусловиях сельскохозяйственного производства к биологическим методам.
Биотехнологии,как направления науки и практики, являются пограничной областью между биологиейи техникой отраслей человеческой деятельности. Они представляют собойсовокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов,явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Применительно к охране окружающейчеловека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку исоздание технологических процессов, основанных на продуктах жизнедеятельностибиологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов ипрепаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов,энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являютсяфундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики,клеточной и генной инженерии, их сочетание. История биотехнологии насчитываеттысячелетия (производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т.д.).
Однакоежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим подходомдля которых являются искусственное создание условий для эволюционных,биохимических процессов на Земле в виде характерных биореакторов, реализующихсяс большими скоростями, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающейсредой.
Биотехнологиязащиты атмосферы
Молекулы,служащие источником дурно пахнущего загрязнения воздуха, образуются врезультате множества различных процессов. Эти молекулы часто являютсяорганическими и могут быть подвергнуты микробной деградации. Пороговыеконцентрации дурного запаха весьма незначительные. Например: валериановаякислота – 0,6%; тиофенол – 0,06%; диамилсульфид – 0,14%; масляная кислота – 1,0%;метилмеркантан – 1,104%; скатол – 1,2%; этил-меркантан – 0,19%. Дурно пахнущиегазы могут удаляться биотехнологически в «сухих» или «мокрых» биореакторах.
«Мокрый»реактор, или биоскруббер, работает как реактор с насадкой с иммобилизированнойбиомассой и противотоком жидкости. Дурно пахнущие газы при этом переносятся изгазовой фазы в жидкую, как в обычном скруббере, а затем окисляются закрепленнойбиомассой. Основные преимущества этого процесса заключаются в следующем:
имеет местобольшая эффективность поглощения, биоокисление практически до нуля снижаетдурно пахнущие загрязнения, резко уменьшается объем поглощающей жидкой фазы;
параллельнорешается проблема удаления сточных вод.
«Сухой»биореактор загружается насадкой из биоактивного сорбирующего материала(компост, торф), через который продуваются загрязненные газы. Сорбированные соединенияактивно окисляются микробными сообщества ми, развивающимися на поверхностинасадки, одновременно регенерируя ее. По такой биотехнологии, например,производится очистка воздуха в свинарниках. Перспективным направлениембиотехнологии очистки газов является создание биологически активных сорбентов иоптимизации микробного сообщества (включая генетические методы), окисляющихширокий спектр субстратов (воздухоочистителей).
Биотехнологияохраны земель
Загрязненностьпочв неорганическими ионами и нехватка полезных органических, избытокпестицидов и других вредных минеральных добавок приводят к снижению урожайностии качества сельскохозяйственных культур, а также эрозии и дефляции почвы. Приэтом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьмазатратными. (По мнению специалистов США, на производство стакана молоканеобходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива.)
Вместе с темимеются безграничные, возобновляемые ресурсы удобрений, содержащие необходимыепитательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда превышающие покачеству органические удобрения (например, осадки сточных вод станций аэрации).Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженностьи содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически иорганизационно) в целом разрешимо, то второе – требует новых подходов,основанных на биотехнологических приемах.
В настоящеевремя в России и за рубежом проводится большая работа по селекции и получениюметодами генной инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почвувместе с осадками продуцировать полимеры, переводящие тяжелые металлы внеподвижные формы, осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоенияатмосферного азота).
Уже не однодесятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя дляполучения биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих иширокого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв,аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимымиаминокислотами, микроэлементами.
Одним изнаиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть.Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения этоготипа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряетна порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов,существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих всостав сосновой смолы, а также адсорбции нефтепродуктов корой. Такойбиотехнологический прием получил название «микробное восстановлениезагрязненной нефтью почвы».
Не менееперспективным и эффективным является бактериальный препарат «Путидойл»,промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области.Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низкихтемпературах в условиях вакуума) и дезинтегрированную клеточную массу бактерийрода Pseudomonas. Конкретные параметры и технология выращивания клеточной массыбактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный.Внесение «Путидойла» в загрязненные места (территории) с нефтью инефтепродуктами позволяет через 1–3 суток полностью разрушить загрязнения доконечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойствапочв.
Биотехнологияочистки воды
Биотехнологическаяочистка природных и сточных вод в настоящее время является достаточно изученными широко применяемым методом, значение и роль которого со временем будет тольковозрастать в связи с требованиями экологичности и экономичности современныхвидов производства.
Однако такойспособ в его настоящем применении позволяет разрушить только относительнопростые органические и аммонийные соединения, так называемые биологическимягкие. Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.)соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы,удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к «биологическижестким» органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как вочищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу дляокружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений– текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнениябиосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти невключаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводят к необратимымиз-за кумуляции изменениям в генофонде.
Средиксенобиотиков наибольшее распространение имеют гербициды и пестициды,представляющие собой галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы изпочвы и атмосферы. Если не применять специальные адсорбционные мембранныетехнологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод дляхозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков. Это обстоятельствоподнимает проблему предварительной очистки природных вод от ксенобиотиков,которая может быть решена путем экологизации, прекращения выпускасоответствующих препаратов или способами биотехнологии.
Дляобеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствующих нормативам ВОЗ,используются следующие современные приемы технологии:
селекция иконструирование искусственных микробных ассоциаций;
совершенствованиеиммобилизационных комплексов;
ферментативныйкатализ;
физико-химическиевоздействия;
генно-гинжениринговыекомбинации.
Селекция иконструирование искусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделенииактивных культур, штаммов, исходя из их способности использовать те или иныексенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма)с последующим внесением их в качестве посевного материала в биореакторах.Иммобилизация – это процесс, при котором клетки (ферменты) прикрепляются ккакой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристикиотличались от показателей среды обитания. При этом достигаются следующиеположительные эффекты:
сохранениепрактически постоянной биомассы, поскольку она не уносится с потоком очищаемойжидкости;
созданиепространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движенияжидкости с четким регулированием процесса;
ростпроизводительности, что уменьшает объем биореакторов;
повышениеустойчивости системы и неравномерности поступления сточных вод;
регулированиепроцесса по составу носителей.
Ферментативныйкатализ заключается в воспроизводстве определенного вида ферментов или ихпрепаратов для биодеконструкции конкретного ксенобиотика и проведения процессав биореакторах. При этом скорость возрастает на 2–3 порядка, что позволяетуменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относитсяинтенсификация процесса биодеконструкции загрязнения путем мутации штаммов засчет физических воздействий (ультразвука, ультрафиолетовых излучений,радиационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облучение,омагничивание) или химических воздействий (нитрозоамины, сильные окислители ипр.). За счет мутации штаммов эффект очистки сточных вод повышается на 50–70%.Однако требуется периодическая обработка биомассы, так как мутированныепризнаки со временем снижаются.
Болееэффективный и перспективный метод очистки вод с заданными деструктивнымисвойствами является генноинжениринговый. Он заключается в использовании методоврекомбинантнои ДНК: соединений определенных катаболических последовательностей,специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулыксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущихштаммов позволяет получить эффективные культуры, которые, после помещения вбиореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.
Биотехнологияпереработки отходов растительности
Отходырастительности – это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим исанитарно-гигиеническим соображениям клетчаткосодержащие остатки: опавшиелистья, ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты, очистки картофеля,образующиеся в больших количествах стебли зерновых культур.
Локально, внебольших объемах эти отходы утилизируют: например, ботва свеклы и солома идутна корм скоту. Солома после химической обработки служит сырьем для производствадрожжей, из которых получают белковые корма. Частично солому используют какподстилку скоту. Но большое количество отходов сжигают или вывозят на свалку,загрязняя окружающую природную среду. Наиболее рациональный и сравнительнодешевый способ переработки отходов растительности – это компостирование.
Компостированиепозволяет получить ценный продукт для внесения в почву в качестве удобрения.Одновременно компостирование является процессом очистки, делающим низкоактивныеотходы более безвредными для окружающей природной среды. Гумифицированныепродукты после внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, невызывая серьезных нарушений в ней.
2. Использованиевозобновляемых источников энергии – важное направление в области защитыокружающей среды
Энергетикаявляется сердцем промышленного и сельскохозяйственного производства иобеспечивает комфортное существование человечества. Основным энергоносителем вXIX в. являлся уголь, сжигание которого приводило к росту выбросов дыма,сажи, копоти, золы, вредных газовых компонентов. Развитие научно-техническогопрогресса привело к существенному изменению энергетической базы промышленности,сельского хозяйства, городов и других населенных пунктов. Существенно возросладоля таких энергоносителей, как нефть и газ, экологически более чистых, чемуголь. Однако ресурсы их не беспредельны, что накладывает на человечествообязанность поиска новых, альтернативных возобновляемых источников энергии. Кним относятся солнечная и атомная энергия, геотермальные и геотермальные видыэнергии, энергия отливов и приливов, энергия рек и ветров. Эти виды энергииявляются неисчерпаемыми и их производство практически не оказывает вредноговоздействия на окружающую среду.
Наиболееразвиты в настоящее время атомные энергетические установки – АЭС. Доляпроизводства электроэнергии с помощью атомной энергии в ряде стран очень высока:Литва – 80%, Франция – 75%, Россия – 13%. За последнее время стала ширеиспользоваться солнечная энергия. Солнечные энергетические установки могут бытьтепловыми, в которых используется традиционный паротурбинный цикл, ифотоэлектрическими, в которых солнечное излучение с помощью специальных батарейпреобразуется в электроэнергию и теплоэнергию.
К новымисточникам энергии относится энергия морских приливов и отливов. Принципдействия приливных электростанций основан на том, что энергия падения воды, проходящейчерез газотурбины, вращает их и приводит в движение генераторы электрическоготока. Крупная приливная электростанция работает во Франции на берегу Ла-Манша,в устье реки Ране.
Перспективноиспользование энергии ветра. Эти установки не требуют большого ухода иэкологически безвредны для окружающей среды. Ветроэнергетические установки естьи в России, но больше всего их в Германии, Дании и США.
3.Основные направления развития малоотходных и ресурсосберегающих технологий
Основнымнаправлением рационального использования природных ресурсов и охраны окружающейсреды является разработка и использование мало- и безотходных технологий.Понятие «полностью безотходная технология» условное, так как ни однопроизводство без отходов не представляется возможным.
Сейчасразработаны следующие рекомендации по организации малоотходных иресурсосберегающих технологий:
всепроизводственные процессы должны осуществляться при минимальном числетехнологических этапов, поскольку на каждом из них образуются отходы и теряетсясырье;
технологическиепроцессы должны быть непрерывными, что позволяет наиболее эффективноиспользовать сырье и энергию;
единичнаямощность технологического оборудования должна быть оптимальной, чтосоответствует максимальному коэффициенту полезного действия и минимальнымпотерям;
приразработке нового технологического оборудования необходимо предусматриватьширокое использование автоматических систем на базе компьютерной техники,обеспечивающих оптимальное ведение технологических процессов с минимальнымвыходом вредных веществ;
выделяющаясяв различных технологических процессах теплота должна быть полезно использована,что позволит сэкономить энергоресурсы, сырье и снизит тепловую нагрузку наокружающую среду. С учетом этих рекомендаций можно определить основныенаправления в совершенствовании малоотходных технологий для отраслейпромышленности, наносящих большой урон окружающей природной среде.
Так,например, в энергетике необходимо шире использовать новые методы сжиганиятвердого топлива.
В черной и цветнойметаллургии необходимо внедрять безотходные и малоотходные технологическиепроцессы, обеспечивающие экономичное и рациональное использование рудничногосырья.
На транспортенеобходимо внедрение экологически чистых видов топлива (газа, неэтилированныхбензинов), устройство каталитического дожигания и улавливания вредных веществ,в будущем – широкое использование электромобилей.
Вмашиностроении следует разрабатывать системы водоочистки для гальваническихпроизводств, переходить к замкнутым системам рециркуляции воды и извлечениюметаллов из сточных вод, в области обработки металлов шире внедрять получениедеталей из пресс-порошков.
Вцеллюлозно-бумажной промышленности необходимо внедрять процессы с низкимрасходом свежей воды на единицу продукции, используя замкнутые и бессточныесистемы промышленного водоснабжения; максимально использовать экстрагирующиесоединения, содержащиеся в древесном сырье для получения целевых продуктов;совершенствовать процессы отбеливания целлюлозы с помощью кислорода и озона;улучшать переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами вцелевые продукты; создавать производственные мощности по переработке бумажныхотходов, в том числе макулатуры.
Литература
1. Авраменко И.М. Природопользование.Белгород, 2007.
2. Арустамов Э.А. Природопользование.М., 2006.
3. Вронский В.А. Прикладнаяэкология. Ростов-на-Дону, 2006.
4. Гофман К.Г. Экономикаприродопользования. М., 2008.
5. Петров В.В. Экологическоеправо. М., 2005.
6. Реймерс Я.Ф. Природопользование:Словарь-справочник. М., 2007.