Экологически безопасное использование биотехнологий

Биотехнологии как направления науки и практики являются пограничной областью между биологией и техникой. Они представляют собой совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание технологических процессов, основанных на продуктах жизнедеятельности биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественный круговорот веществ, элементов, энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являются фундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики, клеточной и генной инженерии, их сочетание.

История биотехнологии насчитывает тысячелетия (хлебопечение, виноделие, сыроделие и     т.д.). Однако ежегодно появляются новые прикладные направления биотехнологии, общим подходом для которых является искусственное создание условий для эволюционных, биогеохимических процессов на Земле в виде характерных биореакторов, реализующихся с большими скоростями, оставаясь совместимыми по своим продуктам с окружающей природной средой.

На протяжении столетий человечество добывало металлы из богатых и относительно простых по химическому составу руд. По мере истощения запасов таких руд стали использовать полиметаллические и более бедные руды. При этом традиционные способы добычи металлов сопровождались загрязнением окружающей природной среды в виде отходов, шлаков (полезно используется не более 2% сырья). При этом извлекался только один элемент, а сопутствующие накапливались в отвалах.

Более совершенным и менее антропогенным является гидрометаллургический метод, основанный на использовании водных растворов, одной из разновидностей которого являются бактериально-химическое выщелачивание металлов. Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. К таким минералам относятся сульфиды железа, меди, никеля, цинка, кобальта, свинца, молибдена, серебра, мышьяка. При этом металлы переходят из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную. Полученные концентрированные (до 50 г/л) железосодержащие растворы отправляются на экстракцию и электрохимическую обработку (аналогичны операции обработки и других металлов).

Биотехнология выщелачивания металлов может применяться для непосредственной обработки как в пласте, так и в заброшенных карьерах и отвалах, что в целом улучшает охрану окружающей природной среды (более 5% металлов в мире добывается в настоящее время таким способом, и в перспективе его применение несомненно возрастет).

Тионовые бактерии находят также применение для предварительного понижения содержания серы в рудном сырье. Содержание серы в углях может достигать 10—12%, а их сжигание приводит к образованию сернистого ангидрида, а в дальнейшем – к выпадению кислотных дождей. Принципиально биотехнология снижения серы в углях аналогична выщелачиванию металлов. Попутно при этом будут выделяться содержащиеся в углях германий, вольфрам, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк.

При добыче каменного угля часто выделяется метан, являющийся причиной взрывов и смертельных случаев в шахтах (статистика свидетельствует, что добыча 1 млн т угля сопровождается смертью одного шахтера). Наряду с имеющимися способами борьбы с метаном, в шахтах применяется и биотехнологический, в основу которого положен процесс поглощения метана метаноокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных пространствах.

Для метаноокисляющих бактерий метан служит одновременно источником углерода и энергии (1/3 расходуется на увеличение биомассы, а 2/3 — на образование внеклеточных органических соединений и углекислого газа). Метаноокисляющие бактерии выращиваются в ферментерах, концентрируются, и непосредственно в шахте готовится рабочая суспензия с добавками азота и фосфора, которая закачивается в пласт из расчета 30–40 л на 1 т угля. Необходимый для развития бактерий кислород подается в пласт компрессорами. Содержание метана в этом случае снижается более чем в 2 раза, и в 1,5 раза повышается отдача угольного пласта.

Заметное место среди средств повышения вторичной добычи нефти принадлежит также биотехнологии. При нефтедобыче извлекается не более 50% ее запасов в пласте, что обусловлено прочной связью нефти с породой. Повышение нефтедобычи пласта на 10–16% равносильно открытию нового месторождения. После закачивания воды для активизации биохимической активности микробов применяется аэрация в зоне нагнетательной скважины. Это вызывает микробное разрушение нефти с образованием углекислого газа, водорода, низкомолекулярных органических кислот, которые поступают в анаэробную зону пласта и разрушаются анаэробными метангенерирующими бактериями с образованием метана. Разрушение нефти и образование газов приводит к разжижению ее, увеличению текучести и повышению газового давления в пласте, что сопровождается увеличением нефтедобычи (в отдельных случаях до 30%) и снижением антропогенного воздействия на окружающую природную среду.

Будет полезно почитать по теме: