Біотехнологія обробки стоків і контроль забруднення води важкими металами

Розвиток промисловості веде до утворення великої кількості відходів, у тому числі відходів, що містять нові антропогенні компоненти. Методами біотехнології ці відходи можуть бути перероблені в корисні або нешкідливі продукти.

Побутові відходи діляться на 2 групи: тверді відходи й стічні води.

Тверді побутові відходи складаються із целюлозовмісних матеріалів (до 40 % паперу, 2,5% дерева, 8% текстилю) і харчових відходів (40%). Найбільш економічна й радикальна переробка їх метановим бродінням з утворенням біогазу.

Стічні води, як правило, містять складну суміш нерозчинних і розчинних компонентів різної природи й концентрації. Побутові відходи, як правило, містять ґрунтову й кишкову мікрофлору, включаючи патогенні мікроорганізми.

Стічні води цукрових, крохмальних, пивних і дріжджових заводів, м'ясокомбінатів містять у великих кількостях вуглеводи, білки й жири, які є джерелами поживних речовин й енергії.

Стоки хімічних і металургійних виробництв можуть містити значну кількість токсичних і навіть вибухових речовин. Серйозне забруднення виникає при попаданні в навколишнє середовище сполук важких металів, таких як залізо, мідь, олово й ін.

Мета очищення стічних вод – видалення розчинних і нерозчинних компонентів, елімінування патогенних мікроорганізмів і проведення детоксикації таким чином, щоб компоненти стоків не шкодили людині, не забруднювали водойми.

Бактерії роду Pseudomonas практично всеїдні. Наприклад, P. Putida можуть утилізувати нафталін, толуол, алкани, камфору й ін. сполуки. Виділено чисті культури мікроорганізмів, здатні розкладати специфічні фенольні сполуки, компоненти нафти в забруднених водах і т.д. Мікроорганізми роду Pseudomonas можуть утилізувати й незвичайні хімічні сполуки – інсектициди, гербіциди й інші ксенобіотики. Генетично сконструйовані штами мікроорганізмів у майбутньому зможуть вирішити проблему очищення стічних вод і ґрунтів, забруднених пестицидами й іншими антропогенними речовинами. Пестициди надходять у навколишнє середовище після обробки сільськогосподарських культур. Більшість із них розщеплюються бактеріями й грибами. Найкраще біодеградація пестицидів вдається, якщо мікроорганізми діють спільно, у хімічних реакціях сполученого метаболізму. При цьому вже на першій стадії мікробної трансформації токсичність більшості пестицидів втрачається, що дозволяє розробляти відносно прості біотехнологічні методи боротьби з ними. Первинний гідроліз пестицидів можна проводити й за допомогою ферментів, таких як гідролази, естерази, фосфоестерази, ациламідази. Пестициди зі стічних вод можна видаляти, використовуючи іммобілізовані форми цих ферментів.

Біологічні методи також можна використовувати для очищення стічних вод нафтової промисловості. Для цього застосовують аеруємі системи біоочищення з активним мулом, який містить адаптовані до компонентів нафти мікроорганізми. Швидкість деградації залежить від якісного складу й концентрації вуглеводнів, а також температури й ступеня аерації середовища. Найбільш ефективно біодеградація здійснюється, коли нафта емульгована у воді.

В інституті прикладної біохімії й машинобудування Росії розроблений препарат – біодеградант нафти й нафтопродуктів. Він дозволяє утилізувати як сиру нафту, так і різні нафтопродукти: мазут, дизельне паливо, бензин, гас, ароматичні вуглеводні. Мікроорганізми здатні ефективно окисляти широкий спектр вуглеводнів нафти, у тому числі й ароматичні вуглеводні, у широкому діапазоні температур (8 – 35°С) і кислотності середовища (рН 3,5 – 10,0) з оптимумом 6,5 – 7,5. Біопрепарат працює при високому рівні забруднення до 20%, з високим змістом важких аліфатичних й ароматичних вуглеводнів.

Перевагою даного препарату є те, що в сухій формі його одержують за новою технологією розпилювального сушіння, що забезпечує його низьку собівартість при збереженні високої активності (концентрація клітин у препараті 10¹⁰ кл/г). Виробництво й застосування біопрепарату вигідно відрізняється порівняно низькими собівартістю й енерговитратами, легким транспортуванням, відсутністю вторинних відходів, екологічною безпекою, пов'язаною зі здатністю розкладати вуглеводні нафти на екологічно нейтральні сполуки.

Азотовмісні сполуки (білки, амінокислоти, сечовина) можуть бути вилучені в біологічному процесі денітрифікації-нітрифікації. Біологічне видалення азоту й фосфору, які є причинами евтрофікації (заростання озер мікроводоростями, які бурхливо розмножуються, потім відмирають, даючи їжу аеробним бактеріям, які споживають кисень, що приводить до замору риби) озер і каналів, перебуває в стадії експериментів.

Важкі метали ускладнюють біологічні процеси очищення стоків і негативно впливають на флору й фауну. Природні штами мікроорганізмів не можуть бути використані для нагромадження цих металів у силу їх високої токсичності. Однак, є білок вищих організмів – металотіонеїн, який активно зв'язує різні важкі метали. Ген, що кодує синтез мишачого металотіонеїну, клонований у бактеріях. Це відкриває можливість одержання білка в великих кількостях з використанням іммобілізованих бактерій і його використання для зв'язування й екстракції важких металів.