Курс лекций по биотехнологии - часть 18

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  16  17  18  19   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 18

 

 

 

137

вопроса  зависит  от  раскрытия  механизма  действия  феромонов  на 

молекулярном уровне.  

6.3.   Экологические аспекты биотехнологического производства. 

Прежде  чем  перейти  к  этой  теме  непосредственно,  необходимо  вновь 

подчеркнуть,  что  антропогенное  воздействие  на  биосферу  неотъемлемо  от 

развития  цивилизации.  Распашка  земель,  вырубка  лесов, «вытаптывание» 

степей – постоянно  сопутствует  истории  человечества.  Здесь  уместно 

вспомнить  об  уничтожении  отдельных  видов  животных  и  растений  и  о 

расселении некоторых видов из мест коренного обитания.  

В  связи  с  тем,  что  сейчас  особенно  актуальна  проблема  влияния 

промышленности на биосферу, рассмотрим, как выглядит в этом отношении 

биотехнологическое производство. 

Прежде  всего,  это  производство,  наукоемко  и  по  сравнению  с  химико-

технологическим  производством – более  эффективно,  так  как  клетка 

продуцента  (биообъекта)  представляет  собой  «сбалансированный  комплекс 

биокатализаторов»  работающий  более  производительно,  чем  системы 

последовательных химических реакций с неорганическими катализаторами. 

Потребление энергоресурсов и воды биотехнологической промышленностью 

составляет  доли  процента  от  потребляемого  современной  химической 

промышленностью. Выброс в атмосферу газообразных отходов предприятий 

биотехнологической  промышленности  не  превышает  и  десятой  доли 

процента 

от 

выброса 

промышленностью 

в 

целом. 

Именно 

биотехнологическое  производство  наиболее  преемлемо  в  современных 

условиях,  однако,  и  это  производство  имеет  свои  специфические, 

экологические  проблемы  и,  соответственно,  совершенствуется  в  этом  плане 

по следующим направлениям: 

1.  создание  и  использование  более  активных  биообъектов-продуцентов.  В 

результате, на единицу продукции будет меньше отходов; 

2. замена сред и реагентов на менее дефицитные; 

 

138

3. иммобилизация биообъектов (как клеток, так и ферментов); многократное 

их использование последних к уменьшению отходов; 

4.  внедрение  мембранной  технологии  на  стадии  выделения  и  очистки 

целевого  продукта  (уменьшение  количества  применяемых  органических 

растворителей, что дает возможность избежать наличия агрессивных условий 

на некоторых стадиях производственного процесса); 

5. соблюдение правил GMP. 

Теперь  кратко  рассмотрим  проблемы,  относящиеся  к  ликвидации 

(утилизации)  или  очистки  производственных  отходов  традиционного 

биотехнологического предприятия. 

Твердые отходы. 

Прежде  всего,  к  ним  относится  мицелий  (биомасса)  продуцента  после  его 

отделения  от  культуральной  жидкости  и  целевого  продукта.  О  количестве 

мицелия,  с  которым  приходится  иметь  дело,  можно  получить  наглядное 

представление исходя из того, что объем слива промышленного ферментера 

(50-100м

3

) – это  десятки  тысяч  литров  густой,  вязкой  (наличие  мицелия) 

жидкости.  Учитывая,  что  на  предприятии  имеется  ряд  ферментеров,  а 

ферментационный цикл длится около недели, можно сделать вывод, что этот 

вид твердых отходов на одном (крупном) предприятии составляет сотни тонн 

в  год.  При  этом  необходимо  учитывать,  что  мицелий,  содержит  также  и 

остаточные количества целевого продукта, а это, как правило, биологически 

высоко активные вещества. 

В  настоящее  время  ликвидация  твердых  отходов  происходит  путем 
переработки  мицелия.  Мицелий  перемешивается  с  почвой  и  помещается  в 
ямы  с  бетонными  подложками.  Каждая  такая  яма  оставляется  в  закрытом 
состоянии  на  несколько  лет.  За  это  время  почвенные  микроорганизмы 
(количество микроорганизмов, принадлежащих к сотням и тысячам родов и 
видов,  в 1 грамме  почвы – много  миллиардов  клеток)  подвергают 
органические  вещества  мицелия  ферментативному  расщеплению,  используя 
их  для  построения  «своей»  биомассы.  Фактически  происходит  образование 

 

139

компоста,  органическая  часть  мицелия  при  этом  разлагается.  Бетонная 
подложка,  в  такого  рода  «компостных  ямах»,  необходима  для  того,  чтобы 
предотвращать  попадание  в  грунтовые  воды  и  водоемы  с  дождевой  водой, 
еще неразложившихся растворимых органических веществ мицелия. Обычно 
для  компостных  ям  выделяются  специальные  участки  на  территории 
предприятия. Следует также отметить, что вывоз подсушенного мицелия (его 
вес,  по  сравнению  с  первоначальным,  уменьшается  в 10-100 раз)  на 
общегородские свалки запрещен.  
Попытки  применения  мицелия  для  тех  или  иных  целей  в  целом  пока  не 
увенчались  успехом,  однако,  в  лабораторных  условиях  уже  создана 
малоотходная  технология.  Из  мицелия  актиномицета  продуцента 
тетрациклина  извлекалась  суммарная  липидная  фракция  и  использовалась 
как  пеногаситель  в  следующем  производственном  цикле  при  получении 
тетрациклина, образуемого продуцентом, принадлежащем к тому же штамму. 
В некоторых случаях (при ограниченности пастбищ) простерилизованную и 
перемолотую  биомассу  некоторых  микроорганизмов  используют  в  качестве 
добавки  в  корм  сельскохозяйственных  животных.  Мицелий  грибов  и 
актиномицетов (отходы при производстве антибиотиков) повышает качество 
некоторых  строительных  материалов  (керамзитовые  плиты,  кирпич  и  др.), 
увеличивая  их  прочность.  Однако,  по  экономическим  соображениям 
производить эти материалы нецелесообразно.  

Жидкие отходы. 

В  случае  биотехнологического  производства  жидкими  отходами  являются 
стоки  и  сточная  жидкость,  в  основном,  это  культуральная  жидкость  после 
отделения  от  нее  мицелия  и  извлечения  целевого  продукта.  Суммарный 
годовой  объем  культуральной  жидкости,  которая  должна  подвергнуться 
очистке  составляет  для  одного  предприятия  десятки  тысяч  кубометров. 
Степень  очистки,  контролируемой  разными  методами  должна  быть  такой, 
чтобы  очищенная  жидкость  могла  сливаться  в  открытые  водоемы. 
Существуют различные схемы очистки. Почти во всех из них ключевую роль 
играют  микроорганизмы  (биологическая  очистка).  Приведем  одну  из  таких 
схем (рис.12).  

 

140

 

 
 
 
 

Рис. 12.              Схема биологической очистки жидких отходов 

 
 
 

 

    Культуральная 
         Жидкость

 

 

            Осадок 

 

         Активный ил  

 
      Сточные воды

 

 

 
            Осадок 

          Биофильтры

 

1

2

3

4

1

2

3

4

Железобетонный отстойник

Аэротенк 

Вторичный отстойник 

Блок доочистки 

Воздух из внешней среды 

 

141

Первым компонентом системы очистки является железобетонный отстойник, 

куда  попадает  отработанная  культуральная  жидкость.  На  дне  отстойника 

проложены  трубы,  через  которые  происходит  отсасывание  осадка.  На  этой 

стадии  из  культуральной  жидкости  удаляется  примерно 40%  загрязнений. 

Следующий  участок  системы  очистки  состоит  из  одного  или  нескольких, 

расположенных 

один 

за 

другим, 

аэротенков. 

Под 

аэротенком 

подразумевается  емкость – бак  с  проходящими  по  дну трубами, из  которых 

выходит в виде пузырьков воздух, проходящий через всю толщу жидкости, в 

результате  чего,  происходит  насыщение  последней  кислородом.  Воздух 

способствует  интенсивному  протеканию  окислительных  процессов. 

Ключевой особенностью аэротенка является наличие в нем, так называемого 

«активного ила» (искусственного биоценоза – сообщества микроорганизмов, 

окисляющих растворенные в жидкости органические вещества до СО

2

 и Н

2

0) 

постепенно  формирующегося  в  процессе  работы  предприятия.  Видовой 

состав  биоценоза  активного  ила  на  разных  предприятиях  может 

незначительно  варьировать,  поскольку  последний  зависит  от  окисляемых 

субстратов.  Как  правило,  в  нем  доминируют  представители  рода 

Pseudomonas (70%). Далее  следуют  микроорганизмы,  объединенные  в  род 

Bacterium (20%). Остальные 10% приходится  на  представителей  родов 

Bacillus, Sarcina и  другие  микроорганизмы.  Характеризуя  активный  ил  как 

биоценоз или как надорганизменное межвидовое сообщество, применительно 

к  очистке  сточной  жидкости  биотехнологического  производства,  следует 

отметить  три  важных  обстоятельства.  Во-первых,  принципиальную  роль 

здесь  играют  штаммы  рода Pseudomonas. Однако,  не  следует  сводить  этот 

род  только  к  виду Pseudomonas acruginosa – известному  возбудителю 

опасных  раневых  инфекций.  В  природных  условиях  род Pseudomonas 

представлен  большим  количеством  неопасных  для  человека  видов.  Именно 

непатогенные  штаммы  входят  в  состав  активного  ила.  Для  этих 

микроорганизмов  характерен  широкий  набор  окислительных  ферментов. 

 

142

Препараты, состоящие из клеток Pseudomonas, используются при ликвидации 

загрязнений  вызванных  утечкой  нефти.  Окислению  подвергаются,  образно 

говоря,  и  экзотические  субстраты,  например,  кольчатые  углеводороды. 

Помимо  этого,  оболочка  сапрофитных  видов Pseudomonas входящих  в 

активный  ил  имеет  свои  особенности  на  уровне  пориновых  каналов, 

облегчающие  доступ  субстратов  к  окислительным  ферментам.  Во-вторых, 

превращение  некоторых  субстратов  в  СО

2

  и  Н

2

0  осуществляется  за  счет 

последовательного воздействия на них ферментов разных микроорганизмов. 

Иными  словами  одна  ферментная  система  превращает  конкретное 

соединение в промежуточные продукты, а другая катализирует дальнейшую 

деградацию  этих  промежуточных  продуктов.  Этим  подчеркивается,  что 

активный  ил  функционирует  как  комплекс  микроорганизмов.  В-третьих, 

следует  иметь  в  виду,  что  в  сточных  водах  некоторых  производств  (в 

частности, 

предприятий 

антибиотической 

промышленности) 

могут 

содержаться  остаточные  количества  антимикробных  веществ.  Это  означает, 

что  микроорганизмы  в  аэротенках  постоянно  контактируют  с  ними,  то  есть 

создаются  условия  для  селекции  резистентных  форм.  С  другой  стороны,  не 

исключены  случаи,  когда  концентрация  антимикробных  веществ  в 

очищаемых  жидких  отходах  может  оказаться  необычно  высокой  и  вызвать 

гибель клеток активного ила. Это требует контроля за состоянием активного 

ила.  После  участка  с  аэротенком  или  несколькими  последовательно 

расположенными  аэротенками  и  вторичным  отстойником  принципиально 

важным  для  системы  жидких  отходов  является  «блок  доочистки».  В  этом 

блоке  культуральная  жидкость,  в  которой  остается  примерно 10% от 

первоначального содержания органических веществ (как правило, это трудно 

окисляемые  вещества)  пропускается  через  биофильтры - пленки  с 

иммобилизованными  клетками  микроорганизмов  с  наиболее  высокой 

окислительной  активностью.  Нередко  эти  клетки  принадлежат  к 

сконструированным 

методами 

генетической 

инженерии 

штаммам, 

 

143

содержащим плазмиды, несущие гены окислительных ферментов (ферментов 

деструкции).  Такие  целенаправленно  полученные  «штаммы-  деструкторы» 

способны  окислять  трудноокисляемые  вещества  и  уничтожать  оставшиеся 

10%  загрязнений  в  очищаемой  жидкости.  Иммобилизация  клеток  таких 

штаммов  в  биопленках  рациональна  ввиду  того,  что  при  свободном 

размножении  этих  клеток,  искусственно  повышенная  окислительная 

активность  может  быть  утрачена  за  счет  обратных  мутаций  или  потери 

плазмид.  В  этом  случае  в  «блоке  доочистки»  как  бы  «сочетаются» 

генетическая  инженерия  и  инженерная  энзимология.  Прошедшая  «блок 

доочистки»  жидкость  (соответствующая  официальным  критериям  питьевой 

воды  -

 

одним  из  принятых  методов  контроля  токсичности  в  данном  случае 

является  подавление  жизнеспособности  микроскопического  ракообразного 

Daphnia magna) хлорируется и затем поступает в открытые водоемы. Касаясь 

работы  систем  биологической  очистки  сточных  вод  в  различных  режимах, 

следует  отметить,  что  при  максимальных («шоковых»)  нагрузках  могут 

возникнуть  различные  трудности.  В  такие  рабочие  периоды  в  аэротенки 

вносят  высокоактивные  штаммы  деструкторы («бактериальные  закваски»). 

Это  позволяет  значительно  усилить  пропускную  способность  системы 

очистки  жидких  отходов.  С  этой  целью  для  биотехнологических 

предприятий  разного  профиля  производятся  специальные  препараты: 

«Phenobac» - для  утилизации  углеводородов, «Thermobac» - для  окисления 

полисахаридов, «Polibac» - для освобождения от синтетических детергентов 

и т.п. Ориентировочная доза «бактериальной закваски» состоящей из живых 

клеток составляет около 100 гр. на 1000 м

сточной жидкости.  

В  заключение  следует  отметить,  что,  как  же  говорилось  выше,  схемы 

биологической  утилизации  жидких  отходов  могут  быть  разнообразны.  Так, 

помимо  аэробной  очистки,  в  схему  может  быть  включен  этап  анаэробной 

очистки; этапы с использованием сорбентов (активированный уголь, цеолиты 

 

144

и  др.);  этапы  с  применением  электрохимических  методов,  например, 

электрокоагуляция. 

                   Газообразные отходы. 

Очистка  газовых  выбросов  от  органических  соединений  производится  при 

высокой  температуре  (от 300 до 1000

о

С)  с  помощью  колонок  с 

неорганическими  катализаторами.  В  этом  случае  летучая  «органика» 

превращается  в  СО

2

.  В  некоторых  случаях  используются  биологические 

фильтры на основе микроорганизмов, окисляющих органические вещества до 

СО

2

Контрольные вопросы к главе 6 

 

1.  Каков  общий  вклад  биотехнологии  в  решение  современных 

экологических проблем? 

2.  Что представляют собой биотехнологические отходы? 

3.  Какие  основные  виды  микроорганизмов  присутствуют  в  «активном 

иле»? 

4.  Какие существуют схемы по очистке твердых, жидких и газообразных 

отходов? 

5.  Какова роль генной инженерии в экологии? 

6.  Что  представляют  собой  сигнально-коммуникативные  молекулы  в 

надорганизменных  системах  и  каковы  перспективы  их  использования 

для поддержания экологии? 

7.  Какие виды феромонов существуют? 

8.  Каковы особенности биотехнологических производств в отношении их 

отходов? 

9.  Какие 

коммерческие 

препараты 

используются 

в 

качестве 

«бактериальной закваски»? 

10.  По каким направлениям можно совершенствовать биотехнологическое 

производство в плане экологической безопасности? 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  16  17  18  19   ..