Современные биотехнологии

 Работы  по удалению пиритной серы  из угля микробиологическим путем  проводятся сейчас во многих  странах мира. По последним сообщениям  в лабораторных условиях удается  снизить содержание серы в  угле путем микробиологического  выщелачивания за 5 суток почти  на 100 %. Микро-биологический способ десульфуризации углей рассматривается как весьма перспективный.

Биогеотехнология и борьба с метаном в угольных шахтах — исполь-зование метанокисляющих бактерий для снижения концентрации метана в угольных пластах и выработанных пространствах.

 В пластах  каменного угля содержится огромное  количество метана, дости-гающее сотни кубометров в 1 т угля. При этом чем глубже залегает уголь в недрах земли, тем больше метана он содержит. При подземной добыче уг-ля метан из разрабатываемых угольных пластов и образующихся при этом выработанных пространств поступает в атмосферу шахт. Скопления этого взрывоопасного газа в горных выработках создают постоянную угрозу для жизни шахтеров. Известны случаи крупных взрывов метана в угольных шахтах мира, унесшие сотни человеческих жизней.

 Традиционные  средства борьбы с метаном  в угольных шахтах (вентиля-ция, вакуумная дегазация, увлажнение пластов водой) в условиях постоян-ной интенсификации горных работ и перехода на все более глубокие угле-носные горизонты часто уже не могут обеспечить одновременно высокий уровень угледобычи и безопасные условия труда. В основе биогеотехно-логических способов борьбы с метаном лежит процесс поглощения этого газа метанокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных пространствах. На данном уровне развития наук этот процесс представляет собой единственную возможность разрушения молекулы метана при температурах разрабатываемых угленосных толщ.

 Идея  об использовании метанокисляющих бактерий для борьбы с мета-ном в угольных шахтах принадлежит советским ученым. В 1939 г. А. 3. Юровский, Г. П. Капилаш и Б. В. Мангуби предложили применять эти бак-терии для снижения выделения метана из выработанных пространств. Не-смотря на широкое распространение метанокисляющих бактерий в приро-де, в угольных пластах и прилегающих породах они отсутствуют. Поэтому необходимое количество активных метанокисляющих бактерий выращи-вают в ферментерах и в виде суспензии в питательной среде подают в по-ровый объем угольных пластов и выработанные пространства. Рабочая суспензия приготовляется непосредственно в шахте. В рудничную воду до-бавляют заданное количество биомассы метанокисляющих бактерий и не-достающие для их активной жизнедеятельности минеральные соли. Обыч-но это минеральные соединения азота и фосфора. В угольный пласт рабо-чая суспензия нагнетается насосами через скважины, пробуренные по уг-лю или из подземных выработок, или с поверхности земли: 1 т угля может принять 20—40 л рабочей суспензии. В угле микроорганизмы распределяются по трещинам и порам.

 Таким  путем осуществляется насыщение  угля метаноокисляющими бакте-риями. Но для развития этих бактерий необходим свободный кислород, которого нет в угольных пластах. Поэтому в насыщенный метанокисляю-щими бактериями участок угольного пласта через те же скважины ком-прессором постоянно прокачивается воздух. В таких условиях бактерии по-требляют содержащийся в угле метан, и за счет этого происходит умень-шение исходной газоносности угольного пласта. Микробиологические спо-собы борьбы с метаном были неоднократно испытаны в угольных шахтах. Поступление метана как из угольных пластов, так и из выработанных прос-транств в ходе этих испытаний было снижено в среднем в 2 раза. При про-чих равных условиях это позволяет повышать добычу угля примерно в 1,5 раза.

Биогеотехнология и повышение нефтеотдачи пластов — использова-ние различных групп микроорганизмов для увеличения вторичной добычи нефти.

 Нефть,  как известно, является в настоящее  время основным энергетичес-ким и химическим сырьем. Однако по некоторым прогнозам мировые за-пасы нефти могут быть исчерпаны уже в течение ближайших 50 лет. Вмес-те с тем существующая технология позволяет извлекать только половину нефти, содержащейся в месторождениях. Это обусловлено прочной свя-зью нефти с вмещающими ее породами. Повышение нефтеотдачи пластов на 10— 15 % было бы равносильно открытию новых месторождений. В свя-зи с этим в настоящее время заметно возрос интерес к поиску путей и средств повышения вторичной добычи нефти.

 Один  из способов предполагает использование  комплекса углеводород-окисляющих и метанобразующих бактерий для увеличения нефтеотдачи пластов основано на активации геохимической деятельности этих микро-бов в нефтяной залежи, куда они попадают вместе с закачиваемыми через скважины поверхностными водами. Активация названных микробиологи-ческих процессов достигается путем аэрации закачиваемых вод и добав-ления в них минеральных солей азота и фосфора. Недостаток этих хими-ческих элементов чаще всего лимитирует активность микрофлоры в при-родных условиях. Нагнетание в нефтяную залежь обогащенной кислоро-дом и минеральными солями воды приводит к образованию аэробной зо-ны в нефтеносном пласте вокруг нагнетательной скважины. Здесь начина-ют интенсивно идти процессы разрушения нефти аэробными углеводород-окисляющими микробами. Это сопровождается накоплением углекислого газа, водорода и низкомолекулярных органических кислот, которые посту-пают в анаэробную зону нефтяной залежи. Здесь они превращаются ме-танобразующими бактериями в метан. Разрушение нефти и образование газов приводят к разжижению нефти и повышению газового давления в нефтеносном пласте, что и должно сопровождаться увеличением добычи нефти из добывающих скважин.

g. Биотехнологии охраны окружающей среды.

Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения  воды тяжелыми металлами.

Развитие  промышленности ведет к образованию  большого количества от-ходов, в том числе отходов, содержащих новые антропогенные компонен-ты. Методами биотехнологии эти отходы могут быть переработаны в полезные или безвредные продукты.

Бытовые отходы делятся на 2 группы: твердые отходы и сточные воды. Твердые бытовые отходы состоят из целлюлозосодержащих материалов (до 40 % бумаги, 2.5% дерева, 8% текстиля) и пищевых отходов (40%). Наи-более экономична и радикальна переработка их метановым брожением, в результате образуется легко транспортируемое топливо - метан.

 Сточные  воды обычно содержат сложную  смесь нерастворимых и раство-римых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отхо-ды, как правило, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы.

 Сточные  воды сахарных, крахмальных, пивных  и дрожжевых заводов, мя-сокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии.

 Стоки  химических и металлургических  производств могут содержать  зна-чительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др.

 Цель  очистки сточных вод - удаление  растворимых и нерастворимых  ком-понентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы.

 Бактерии  рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специ-фические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных во-дах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и не-обычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие ксе-нобиотики. Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязнен-ных пестицидами и другими антропогенными веществами. Пестициды поступают в окружающую среду после обработки сельскохозяйственных культур. Большинство из них расщепляются бактериями и грибами. Лучше всего биодеградация пестицидов удается, если микроорганизмы действу-ют сообща, в химических реакциях сопряженного метаболизма. При этом уже на первой стадии микробной трансформации токсичность большинст-ва пестицидов утрачивается, что позволяет разрабатывать относительно простые биотехнологические методы  борьбы с ними. Первичный гидро-лиз пестицидов можно проводить и с помощью ферментов, таких как гид-ролазы, эстеразы, фосфоэстеразы, ациламидазы.  Пестициды из сточных вод можно удалять, используя иммобилизованные формы этих ферментов.

 Биологические  методы также применимы для  очистки сточных вод нефтя-ной промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочи-стки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество. Скорость деградации зависит от качественного со-става и концентрации углеводородов, а также температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется, когда нефть эмульгирована в воде.

 В институте  прикладной биохимии и машиностроения  разработан отечест-венный препарат - биодеградант нефти и нефтепродуктов. Он позволяет утилизировать как сырую нефть, так и различные нефтепродукты: мазут, дизельное топливо, бензин, керосин, ароматические углеводороды.  Мик-роорганизмы сообщества способны эффективно окислять широкий спектр углеводородов нефти, в том числе и ароматические углеводороды, в ши-роком диапазоне температур (8–35°С) и кислотности среды (рН 3.5–10.0) с оптимумом 6.5-7.5. Биопрепарат работает при высоком уровне загряз-нения до 20%, с высоким содержанием тяжёлых алифатических и ароматических углеводородов.

 Преимуществом  данного препарата является то, что в сухой форме его по-лучают по новой технологии распылительной сушки, что обеспечивает его низкую себестоимость при сохранении высокой активности (концентрация клеток в препарате 1010 кл/г). Производство и применение биопрепарата выгодно отличается сравнительно низкими себестоимостью и энергозатра-тами, легкой транспортировкой, отсутствием вторичных отходов, экологи-ческой безопасностью, связанной со способностью разлагать углево-дороды нефти на экологически нейтральные соединения.

 Азотсодержащие  соединения (белки, аминокислоты, мочевина) могут быть удалены в биологическом  процессе денитрификации-нитрификации. Биологическое удаление азота  и фосфора, являющихся причинами  эвтро-фикации (зарастания озер микроводорослями, которые бурно размножа-ются, затем отмирают, давая пищу аэробным бактериям, потребляющими кислород, что приводит к замору рыбы) озер и каналов, находится в стадии экспериментов.

Тяжелые металлы  затрудняют биологические процессы очистки стоков и отрицательно влияют на флору и фауну. Природные штаммы микроор-ганизмов не могут быть использованы для накопления этих металлов в си-лу их высоко токсичности. Однако, есть белок высших организмов – метал-лотионеин, который активно связывает различные тяжелые металлы. Ген, кодирующий синтез мышиного металлотионеина, клонирован в бактериях. Это открывает возможность получения белка в больших количествах с использование иммобилизованных бактерий и его использования для связывания и экстракции тяжелых металлов.

h. Биоэлектроника.

В области  электроники биотехнология может  быть использована для создания улучшенных типов биосенсоров и новых приводящих устройств, называемых биочипы.

 Биотехнология  делает возможным создание устройств,  в которых белки являются основой  молекул, действующих как полупроводники. Для индикации загрязнений различного происхождения в последнее время стали использовать не химические реагенты, а биосенсоры – ферментные электроды, а также иммобилизованные клетки микроорганизмов. Ферменты обладают высочайшей чувствительностью.

 Биоселективные датчики создают также путем нанесения на поверхность ионоселективных электродов целых клеток микроорганизмов или тканей. Например, Neurospora europea – для определения NH3, Trichosporon brassiacae – для определения уксусной кислоты.

 В качестве  сенсоров используют также моноклональные антитела, обладающие исключительно высокой избирательностью. Лидерами в производстве биодатчиков и биочипов являются японские компании, такие как Hitachi, Sharp. Например, компания Hitachi в начале 90-х годов создает проектную групп численностью в 200 человек исключительно для работ в области биоэлектроники. Компания Sharp проводит исследования по разработке компьютеров с биокомпонентами.

 Появляется  новый тип полупроводников, проводящую  функцию в которых осуществляют молекулы белков. Такие ферментные системы работают с большей скоростью, чем кремниевые полупроводники. Биочипы имеют небольшие размеры, надежны и способны к самосборке. Еще одна японская компания, Sony, запатентовала способ производства высококачественных акустических систем из целлюлозы, образуемой бактериями. Гелеобразная целлюлоза высушивается. Полученный материал имеет структуру сот и используется в качестве плоской диафрагмы акустических систем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано — пусть в  определенных границах — перевивать по-новому «нить жизни» — ДНК  — методами генетической и клеточной  инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.

Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с  определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой  природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.