Характеристика жидких отходов, образующихся на биотехнологических предприятиях, методы их обезвреживания и утилизация.

    Физиологические значения рН и температуры хорошо известны для различных групп  организмов. Например, большинство бактерий лучше обитает в водных средах с рН 7,3—7,5; большинство грибов — при рН 5,6—6,5; оптимальная температура для роста мезофильных микроорганизмов соответствует 20—40°С с колебаниями в пределах от 10° до 50°С, и т. д. Холоднокровные животные относятся к пойкилотермным организмам (от греч. poikilos — различный, terme — тепло), тогда, как теплокровные животные — к гомойотермным (от греч. omoios — подобный, одинаковый) организмам.

    Исходя  из приведенных данных, можно представить  реакцию микро- и макрофлоры, микро- и макрофауны на непрерывные температурные  изменения или изменения рН среды  обитания. В таких ситуациях нормальные обитатели водоема погибают либо из-за популяционного давления одних видов над другими, либо вследствие невыносимости экстремальных (от лат. extremus — крайний) условий жизни. 
Растворимость чистого кислорода в воде составляет 48 частей О2 на 1 млн. частей Н2О при 14°С. При такой же температуре и насыщении воды воздухом (содержание О2 в воздухе 20,9%) растворимость кислорода составляет около 10 частей на 1 млн. В естественных водоемах растворимость оказывается еще меньше. Например, в морской воде с соленостью 3,4% растворяется 80% О2 от растворенного в чистой воде, то есть 38,4 части на 1 млн.

    Экстраполируя эти данные в пересчетах на концентрации других веществ, можно прогнозировать потери растворенного кислорода  в естественных водоемах, куда сбрасываются стоки от биопроизводств, содержащие органические и неорганические примеси. Все это отрицательно сказывается на водных экосистемах. К тому же из-за многокомпонентности стоков, трудностей определения каждого компонента прибегают к анализу плотных остатков, общего азота, органического углерода и биохимической потребности кислорода (ВПК5). Опираясь на фактические данные, полученные в результате проведенных анализов, выдают рекомендации по обработке жидких стоков. ВПК5 означает количество потребляемого растворенного кислорода при инкубации стоков в течение 5 дней и температуре 20°С. Растворенный кислород определяют различными методами — химическим, биологическим или физико-химическим. ВПК5 можно выразить в мг О2 на 100 мл или на 1 л пробы, в частях на 1 млн в мл О2 на 1 л пробы при О°С и 1,01 * 105 Па. Если, например, ВПК воды больше 10 частей на 1 млн., то она непригодна для использования человеком. ВПК для неочищенных стоков в производстве пенициллина 32000 частей на 1 млн.

    Загрязненные  воды и промышленные стоки должны проходить  обработку на предмет  обезвреживания и  очистки перед  поступлением их в  природные водные резервуары. Наличие в стоках (воде) ингибиторов или токсических веществ для микроорганизмов отрицательно сказывается на правильности измерения ВПК5, а в случае попадания таких стоков в аэротенки или природные накопители, содержащие микрофлору и микрофауну, происходит нарушение процесса их обезвреживания. Из различных токсических веществ и ингибиторов можно назвать соли тяжелых металлов, поверхностно-активные вещества (ПАВ), фенольные соединения и др. Тяжелые металлы необратимо ингибируют ферменты вследствие блокады тиольных групп.

    В порядке снижения активности, например, в отношении микромицетов металлы можно расположить в следующем порядке:

    Аg > Нg > Сu > Cd > Сr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe.

    Начиная с 1949 г. (в странах Западного полушария) и несколько позже (в нашей  стране и некоторых государствах Востока), промышленное производство ПАВ  развивалось исключительно быстро — многие из них были включены в  состав моющих средств. По заряду их подразделяют на катионные, анионные, амфотерные и неионогенные. Катионные ПАВ содержат гидрофобный радикал типа алифатической цепочки предельных углеводородов, бензольного или нафталинового кольца с алкильным остатком, а также положительно заряженную гидрофильную группу, например, четвертичного аммония, сульфония, фосфония, арсония, йодония. Из них широко известны на практике хлоргексидин биглюконат, цетавлон и другие. Катионными ПАВ являются циклопептидные антибиотики (грамицидин С, полимиксин В, циклоспорин А.

    К анионным ПАВ относятся структуры, сходные с катионными ПАВ в гидрофобной части, но имеющие отрицательно заряженную группу — карбоксильную, сульфатную, сульфонатную, фосфатную. По объему производства они занимали (и пока еще занимают) ведущее место среди всех ПАВ.

    Доступность ПАВ для деградации микроорганизмами определяется природой. Так, если алифатическая (гидрофобная) часть будет в виде неразветвленной цепи, то такое анионное ПАВ подвержено более глубокой деградации, чем такое же ПАВ, но с разветвленной  цепью. В зависимости от характера  гидрофильной группы в замещенных бензолах микробы активного ила по-разному  разрушают эти структуры. 

    "Биологическую  податливость" таких веществ можно  расположить в следующем порядке:

     
С6Н5ОН > СбН5СООН > C6H5NH2 > С6Н5S03Н.

    К числу амфотерных ПАВ относятся  такие структуры, у которых гидрофильная часть представлена катионной и  анионной группами одновременно. Таковым  является, например, амфолан. 

    [СН3-(СН2)11-NH-(CH2)2-NH-(CH2)2-NH-CH2-COOH]  HCI

    Амфолан (хлоргидрат алкилдиаминоэтилгпицина)

    Они меньше других ПАВ используются на практике, и поэтому не возникает  особых проблем с их обезвреживанием.

    Неионогенные  ПАВ типа спанов и твинов, изменяют поверхностное натяжение на границе раздела фаз "жидкость-твердое тело" (применительно к сточным водам), однако они не обладают выраженным губительным действием в отношении различных организмов, но сильно изменяют водные среды по качеству (ценообразование) и по ВПК.

    Спаны — это сложные эфиры жирных кислот и спирта сорбита: НОН2С—(СНОН)4—CH2OCOR, где R — остаток жирной кислоты.

    Твины являются сложными эфирами ангидро-сорбита и жирных кислот, алкилированные окисью этилена.

    Фенольные соединения типа карболовой кислоты  и ее аналогов также являются токсическими структурами сточных вод и  уже в концентрации 1-2% коагулируют  белки, а в более высоких проявляют  гидролитический эффект.

    Токсические вещества и ПАВ в сточных водах  должны быть исключены или многократно  уменьшены по своему количественному  содержанию усилиями заводских коллективов, то есть за счет внедрения новых  технологий или совершенствования  существующих, благодаря которым  отходы производства не будут поступать  в общегородские и другие стоки  и пагубно влиять на природные  экосистемы. 

    Таким образом, обработка отходов сточных  вод может быть условно подразделена на 4 стадии:

    1) разрушение сложных белковых  комплексов (главным образом —  их конъюгатов) до простых растворимых веществ и отделение их от нерастворимых субстанций,

    2) разжижение и анаэробная обработка  нерастворимого остатка с помощью  соответствующих микроорганизмов,

    3) трансформация органического азота  до аммиака (аммонификация) с  последующим окислением аммония  до нитратов,

    4) превращение органического углерода  в диоксид углерода.

    В этих стадиях (преимущественно —  в первой, третьей и четвертой) реализуется биохимическая схема  обработки отходов сточных вод. 

    Некоторые жидкие отходы, класс опасности которых  определяется как 3, 4 и 5, должны подвергать обязательному уничтожению. К сожалению, они подвергаются захоронению в  специальных контейнерах или  просто сжигаются.  

    Заключение

    Развитие  всех современных направление биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время  настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком  базируются на научных достижениях. При этом то, что лишь недавно  было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в  производство. Круг наук, результаты которых  воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Таким образом, расширяются  возможности и сферы самой  биотехнологии. Вероятно, в будущем  не будет ни одного направления человеческой деятельности, которое не было бы в  тех или иных пределах связано  с биотехнологией.

    Расширение  сферы внедрения биотехнологии  изменяет соотношение в системе  «человек - производство - природа», повышает производительность труда, принципиально  изменят его качество. Биологизация производства в целом - одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая не координируемая деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение этого противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов. 
 

Список  использованной литературы

1. Н.П. Елинов “Основы биотехнологии”, СПб, Наука, 1995.
2. Сассон А. Биотехнология. Свершения и надежды. М., Мир., 1987.
3. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).