Высшее образование
I о R2C^CHC1 r,chcooh
жүктеу/скачать 5 Mb.
|
19b6c9a
- Бұл бет үшін навигация:
- co-nh-ch,-cooh
- ^ ^ / nh-co-r
- s-ch 2 -ch-cooh
I
о R2C^CHC1 r,chcooh 6l ОСНз сн-о . ОН с|
он CI CI CH2OH С| о н kj + h2n-ch2-cooh N N co-nh-ch,-cooh ^ ^ / nh-co-r I Нафталин Микросомальный фермент —► s-ch2-ch-cooh Рис. 2.5. Последовательность ферментативных реакций биодеградации нафталина: 1 — нафталиндиоксигеназа; 2 — цыс-дигидродиолнафталиндегидрогеназа; 3 — 1,2-диоксинафталиндиоксигеназа; 4 — 2-оксихромен-2-2-карбоксилатизомера- за; 5— 2-оксибензальпируватальдолаза и пируват; 6— салицилальдегиддегидро- геназа; 7 — салицилатгидроксилаза; 8 — катехолдиоксигеназа; 9 — 2-оксимуко- натсемиальдегиддегидрогеназа; 10 — 2-оксимуконаттаутомераза; И — 4-окса- лилкротонатдекарбоксилаза; 12 — 2-оксо-4-пентеноатгидратаза; 13 — 2-оксо-4- оксипентаноатальдолаза и пируват Среди ксенобиотиков, вносимых человеком в биосферу, нема- пая часть относится к производным нафталина и салициловой кис- тоты. В превращении этих соединений участвует большое число ферментов. 2.3. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ. БИОГАЗ Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола. Биогаз — это смесь из 65 % метана, 30 % С02, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м3 природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез — процесс превращения биомассы в энергию. Биометаногенез — сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродилыдики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты. На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетат- ные. Ацетогенные Н2-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н2, С02, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных ^-продуцирующих и Н2-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и С02, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат. На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления С02 молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, С02, метанол, метиламин и ароматические соединения: Особое место в утилизации отходов занимает метановое сбраживание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии — ГЭС, ТЭС, АЭС — вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектростанции) служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атмосферу, нарушают альголо- гический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные электростанции) создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации С02, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа. 90 —95 % используемого углерода метанообразующие бактерии превращают в метан и лишь 5—10% углерода превращаются в биомассу. В литературе имеются данные о способности метанооб- разующих бактерий в анаэробных условиях одновременно синтезировать и окислять метан. В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40 °С, а для термофильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаноге- неза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio Jibrisolvens, Peptostreptococcusproductus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofa- ciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвач ных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens. 0з рубиа и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter rumi- nantium и Methanosarcina ssp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий. Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации — ацетат, про- пионат, сукцинат, Н2 и С02. Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные летучие жирные кислоты. Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntrophomonas и Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н2 и С02 — предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны синтезировать ацетат из С02 в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium и Methanospirillum. отходов Рис. 2.6. Схема устройства реактора для обработки сельскохозяйственных отходов Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатыва- юших предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30 — 60 °С и рН 6 —8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой, микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке. На рис. 2.6 представлена схема устройства реактора (метантенка) для обработки сельскохозяйственных отходов (навоз, остатки растениеводства). Подача отходов (суб страта) и отбор отработанного стока осуществляются в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодическим, так и полунепрерывным. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса. Современное состояние проблем и перспектив в области получения биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия органических отходов в метан — наиболее конкурентоспособная область биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле. 2.4. ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА Энергию можно получать из растений, богатых углеводами, превращая их в спирт (этанол). К ним относятся меласса, картофель, маниок, стебли кукурузы, злаки, топинамбур (земляная груша). Большое количество этанола получают из гидролизатов древесины лиственных пород или из сульфитных щелоков — отходов бумажных фабрик. Полученный спирт можно смешивать с бензином в соотношении 1:9 (или даже 1:4) и заправлять им машины. Рост производства этанола связан с широтой его применения в химической промышленности. Он прекрасный растворитель, антифриз, экстрагент. Этанол служит также субстратом для синтеза многих растворителей, красителей, лекарственных препаратов, смазочных материалов, клеев, моющих средств, пластификаторов, взрывчатых веществ и смол для производства синтетических волокон. Его используют в двигателях внутреннего сгорания либо в безводном виде, либо в форме гидратированного этанола. Среди растений, продуцирующих этиловый спирт, следует выделить маниок, злаки (особенно кукурузу) и топинамбур, у которого запасным углеводом является инулин. Используются также сахарный тростник, ананас, сахарная свекла, сорго, у которых основной углевод — сахароза. При переработке сахарного тростника его тщательно давят, целлюлозу (жом) отделяют от сладкого сока и сжигают, а сок концентрируют, стерилизуют и подвергают брожению. Этот раствор отделяют от твердых компонентов и далее из 8—10%-го спиртового раствора путем перегонки получают этанол. Из оставшейся жидкости (стиллаж) после соответствующей переработки извлекают компоненты удобрений с выходом 2—3 %. «Барду» (кубовой остаток) после перегонки используют в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Крахмал при его переработке сначала гидролизуют в сбраживаемые сахара. Производство этанола из мелассы с использованием жомаСовершенно очевидно, что один из наиболее перспективных методов крупномасштабного преобразования солнечной энергии основан на использовании биосистем. Широкое применение биосистем для получения энергии способно обеспечить свыше 15 % производства энергии для экономически развитых стран. В последние 10 — 15 лет намечены новые пути биотрансформации солнечной энергии при фотосинтезе. Установлено, что некоторые микробиологические системы характеризуются высокой эффективностью фотосинтеза. Так, фоторазложение воды, осуществляемое суспензией хлореллы с образованием кислорода, в оптимальных условиях культивирования дает 130 — 140 л газа с 1 м2 освещаемой поверхности в сутки. Известно, что одна из особенностей процесса фотосинтеза — уменьшение эффективности преобразования солнечной энергии при высоких значениях интенсивности света. Новые технологии позволяют повысить эффективность фотосинтеза при высокой интенсивности света. Разрабатываются системы, эффективно поглощающие световой поток и обогащенные реакционными центрами по отношению к пигменту. Световые кривые фотосинтеза улучшаются также с увеличением скорости лимитирующей стадии электронного транспорта. Например, проведение процесса при повышенных температурах в системах термофильных микроорганизмов увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии при высокой интенсивности света. 2.6. ФОТОПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА Известно, что хлоропласты (например, из шпината) в присутствии искусственного донора электронов и бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуцировать водород: Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные органические соединения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: избыток субстрата фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами, кроме того, процесс получения водорода — возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных хлоропластов. Водород можно получать в присутствии искусственного донора ё" (вместо воды) и поглощающих свет пигментов, а не мембран хлоропластов. Его способны выделять и некоторые микроорганизмы, например цианобактерии (аэробные фототрофы) и др. При этом микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводного характера, включая крахмал и целлюлозу, а также из амино- и кетокислот. Основная проблема создания систем конверсии энергии биомассы в водород связана с превращением этих метаболитов в топливную форму. Для биотехнологии можно было бы воспользоваться и другими механизмами превращения энергии, выявленными у микроорганизмов. Например, галофильная бактерия Halobacterium halobium способна использовать световую энергию, улавливаемую пурпурным пигментом (бактериородопсином), вмонтированным в мембрану клетки. Молекула пигмента состоит из одной полипептидной цепи, к которой прикреплена молекула ретиналя, являющегося светочувствительной частью пигмента. Под влиянием солнечного света изменяется конформация пигмента, приводящая к переносу ионов водорода (Н+) через мембрану. Пигмент является как бы протонным насосом. Молекулы бактериородопси- на располагаются в мембране триадами, и перекачивание протонов через мембрану обеспечивает градиент концентрации Н+ (ДН+), вследствие чего они движутся к наружной стенке, у которой пространство подкисляется и возникает электрохимический градиент (Ам."н)- Предприняты попытки встраивания молекул пигмента в искусственные системы и повышения эффективности их использования. В частности, растущие бактерии Н. halobium переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией NaCl и других минеральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых штаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пигментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до 100000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подложке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитанные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплошным слоем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты можно смешивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо создания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды могут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов. У Н. halobium имеется и другой тип насоса, который обеспечивает галородопсин, использующий световую энергию непосредственно для перекачивания ионов. Изучение систем энергоконверсии чрезвычайно перспективно с точки зрения разработки искусственных устройств, более эффективных, чем естественные. 2.7. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД Важнейшая проблема экологической биотехнологии — очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300 — 3500 км3, при это\ в сельском хозяйстве — 70 % всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд1 населения требуется также значительное количество воды. Большая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод. На современном этапе выделяются следующие направления рационального расхода водных ресурсов: более полное использова ние и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разработка новых биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды. Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подразделить на несколько типов: механическое, сопровождающееся повышением содержания механических примесей и относящееся т основном к поверхностным видам загрязнений; химическое, обусловленное присутствием в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое Основные источники загрязнения и засорения водоемов — недостаточно очищенные сточные воды промышленных и комму нальных предприятий, крупных животноводческих комплексов отходы производства при разработке рудных ископаемых (водь шахт, рудников); сбросы водного и железнодорожного транспор та; пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, качественно изменяют их состав. Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд содержащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняю физические свойства воды (появление неприятных запахов, при вкусов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехи мических заводов, предприятий органического синтеза содержа" различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, феноль и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессо уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее органические показатели. Нефть и нефтепродукты — основные загрязнители внутреннк водоемов, вод и морей Мирового океана — создают разные фог мы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти челают непригодной для употребления 1 т воды. Вредным загрязнителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточных волах многих нефтехимических предприятий. На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары. В значительной степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту, промышленности и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бактерий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, содержащие отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, служат причиной органических загрязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых электростанций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изменяет термический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водоемов. Возникают благоприятные условия для массового развития в водохранилищах синезеленых водорослей (так называемое «цветение воды»). Методы очистки сточных вод (механические, химические, физико-химические и биологические). Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером и степенью вредности примесей. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, наво- зоуловителями, нефтеловушками и т.д. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60 — 75% нерастворимых примесей, а из промышленных — до 95 %, многие из которых как ценные примеси используются в производстве. Химический метод. В сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95 %, а Растворимых — до 25 %. физико-химические методы используют для удаления тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др. Биологический метод основан на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки. В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Аэротенки — огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопьями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипшиеся в хлопья, тем самым омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды сначала подвергают механической, а после химической очистке для удаления болезнетворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы. Биологический метод дает существенные результаты при очистке коммунально-бытовых стоков, а также отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и производства искусственного волокна. Однако он разрушает только относительно простые органические и аммонийные соединения. жүктеу/скачать 5 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|