Біотехнологія обробки стоків і контроль забруднення води важкими металами

Біоенергетика

Рослинний покрив Землі складає більше 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно відомим запасам енергії корисних копалин. Ліси становлять близько 68% біомаси суші, трав'яні екосистеми – приблизно 16%, а оброблювані землі – тільки 8%.

Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення біомаси в енергію полягає в згорянні – воно забезпечує тепло, яке у свою чергу перетворюється в механічну або електричну енергію. Що ж стосується сирої речовини, то в цьому випадку найдавнішим і найбільш ефективним методом перетворення біомаси в енергію є одержання біогазу (метану).

Метанове «бродіння», або біометаногенез, – давно відомий процес перетворення біомаси в енергію. Він був відкритий у 1776 р. Вольтою, який встановив наявність метану в болотному газі. Біогаз, що утворюється в ході цього процесу, являє собою суміш із 65% метану, 30% вуглекислого газу, 1% сірководню (Н₂S) і незначних кількостей азоту, кисню, водню й оксиду вуглецю (ІІ). Болотний газ горить полум'ям синього кольору й не має запаху. Його бездимне горіння заподіює набагато менше незручностей людям у порівнянні зі згорянням дров, гноєм жуйних тваринних або кухонних відходів. Енергія, яка утворюється при згорянні 28 м³ біогазу, еквівалентна енергії згоряння 16,8 м³ природного газу, 20,8 л нафти або 18,4 л дизельного палива.

Біометаногенез здійснюється в три етапи: розчинення й гідроліз органічних сполук, ацидогенез і метаногенез. В енергоконверсії використовується лише тільки 50% органічного матеріалу – 1800 ккал/кг сухої речовини в порівнянні з 4000 ккал при термохімічних процесах, а залишки, або шлаки, метанового «бродіння» використовуються в сільському господарстві як добрива. У процесі біометаногенезу беруть участь три групи бактерій. Перші перетворюють складні органічні субстрати в масляну, пропіонову й молочну кислоти; другі перетворюють ці органічні кислоти в оцтову кислоту, водень і вуглекислий газ, а потім метаноутворюючі бактерії відновлюють вуглекислий газ у метан з поглинанням водню, який може гальмувати діяльність оцтовокислих бактерій. У 1967 р. Брайант та ін. установили, що оцтовокислі й метаноутворюючі мікроорганізми утворюють симбіоз, і раніше вважалися одним мікробом Methanobacillus omelianskii.

Для всіх метанобактерій характерна здатність до росту в присутності водню й вуглекислого газу, а також висока чутливість до кисню й інгібіторів виробництва метану. У природних умовах метанобактерії тісно пов'язані з воденьутворюючими бактеріями: ця трофічна асоціація вигідна для обох типів бактерій. Перші використовують газоподібний водень, який продукується останніми; у результаті його концентрація знижується й стає безпечною для воденьутворюючих бактерій.

Метанове «бродіння» відбувається у водонепроникних циліндричних цистернах (дайджестерах) з бічним отвором, через який вводиться матеріал для ферментації. Над дайджестером знаходиться сталевий циліндричний контейнер, який використовується для збору газу; нависаючи над сумішшю, що бродить, у вигляді купола, контейнер перешкоджає проникненню усередину повітря, тому що весь процес повинен відбуватися в суворо анаеробних умовах. Як правило, у газовому куполі є трубка для відводу біогазу. Дайджестери виготовляють із глиняної цегли, бетону або сталі. Купол для збору газу може бути виготовлений з нейлону; у цьому випадку його легко прикріплювати до дайджестеру, що виготовлений із твердого пластичного матеріалу. Газ надуває нейлоновий мішок, який, як правило, з'єднаний з компресором для підвищення тиску газу.

У тих випадках, коли використовуються відходи домашнього господарства або рідкий гній, співвідношення між твердими компонентами й водою повинно становити 1:1 (100 кг відходів на 100 кг води), що відповідає загальній концентрації твердих речовин і складає 8 – 11% за масою. Суміш матеріалів для бродіння, як правило, засівають ацетогенними й метаногенними бактеріями або відстоєм з іншого дайджестера. Низьке рН придушує ріст метаногенних бактерій і знижує вихід біогазу; такий же ефект викликає перевантаження дайджестера. Проти закислення використовують вапно. Оптимальне «переварювання» відбувається в умовах, близьких до нейтрального (рН 6,0 – 8,0). Максимальна температура процесу залежить від мезофільності або термофільності мікроорганізмів (30 – 40° С або 50 – 60° С); різкі зміни температури небажані.

Як правило, дайджестери заривають у землю, щоб використати ізоляційні властивості ґрунту. У країнах з холодним кліматом їх нагрівають за допомогою пристроїв, які застосовують при компостуванні сільськогосподарських відходів. З погляду поживних потреб бактерій надлишок азоту (наприклад у випадку рідкого гною) сприяє нагромадженню аміаку, що придушує ріст бактерій. Для оптимальної переробки співвідношення C/N повинно бути порядку 30:1 (за масою). Це співвідношення можна змінювати, змішуючи субстрати, які містять великі концентрації азоту, із субстратами, з великою кількістю вуглецю. Так, співвідношення C/N гною можна змінити додаванням соломи або гноту цукрового очерету.

Відходи харчової промисловості й сільськогосподарського виробництва характеризуються високим вмістом вуглецю (у випадку перегонки буряка на 1 літр відходів доводиться до 50 грамів вуглецю), тому вони найкраще підходять для метанового «бродіння», тим більше, що деякі з них утворюються при температурі, найбільш сприятливій для цього процесу. Бажано перемішувати суспензію речовин, щоб перешкодити розшаровуванню, бо це гальмує бродіння. Твердий матеріал необхідно подрібнити, тому що наявність великих грудок перешкоджає утворенню метану. Тривалість переробки гною великої рогатої худоби становить два – чотири тижні. Двотижневої переробки при температурі 35° С досить, щоб убити всі патогенні ентеробактерії й ентеровіруси, а також 90% популяції Ascaris lumbricoides й Ancylostoma.

Ще у 1979 році конференція ООН по науці й техніці для країн, що розвиваються, і експерти "Економічної й соціальної комісії із країн Азії й Тихого океану" підкреслювали достоїнства інтегрованих сільськогосподарських програм, що використовують біогаз. Такі програми спрямовані на розробку харчових культур, а також на виробництво білка культурами водоростей, створення рибних ферм, переробку відходів і перетворення різних відходів у добрива й енергію у вигляді метану. Потрібно відзначити, що 38% від 95-мільйонного поголів'я великої рогатої худоби у світі, 72% залишків цукрового очерету й 95% відходів бананів, кави й цитрусових доводяться на частку країн Африки, Латинської Америки, Азії й Близького Сходу. Не дивно, що в цих регіонах зосереджені величезні кількості сировини для метанового «бродіння». Наслідком цього є зміна деяких країн із сільськогосподарською орієнтованою економікою на біоенергетику. Наприклад, одним з основних принципів енергетичної політики Індії є виробництво біогазу в сільських районах. Наприкінці 1979 р. в Індії працювало менше 100000 установок. У Китаї в цей же період налічувалося 10 млн. установок. Сировиною для завантаження установок у цих країнах є відходи тваринницьких ферм і птахофабрик. У Центральній Америці побудовані установки, що працюють на відходах виробництва кави. У Масатенанго була побудована фабрика, що випускає 90 м³ біогазу на добу й 900 т органічних добрив у рік з відходів кави. Біогаз забезпечує роботу двигуна потужністю 35 к.с., який є частиною пристрою, що лущить каву зі швидкістю 3 т/год, виробляє 1500 Ват електроенергії й забезпечує роботу компресора. В Ізраїлі з 1974 р. виробництвом біогазу займається «Асоціація Кіббуци Індастриз» (KIA). Проведено фундаментальні дослідження процесу метаногенеза при активній участі декількох університетів і промислових дослідницьких інститутів під егідою міністерства енергетики. Анаеробне бродіння відбувається при 55° С. Дослідникам удалося домогтися підвищення виходу біогазу до 4 – 6,5 м³ на добу на кожен кубометр обсягу цистерни дайджестера (що в десять разів перевищує звичайний вихід).

У Росії зараз виробництвом і впровадженням установок для одержання біогазу займається НТЦ «Агроферммашпроект», що пропонує запатентовані в Росії сучасні енергозберігаючі технології й устаткування для переробки органічних відходів тваринництва, рільництва в ефективне екологічно чисте добриво й енергію.

Лідер українського ринку насінняіз м. Рівне компанія «Інсеко» починає виробляти газ на самому величезному біогазовомуенергопарку в східній Європі. Компанія «Зорг Україна» виступає генеральним проектувальником і підрядником. 27 травня 2009 року сторони підписали відповідний договір. Енергопарк буде працювати два сезони на рік. 100 днів у році сировиною енергопарку будуть відходи Бабинского цукрового заводу. Це буряковий гніт у кількості 3600 тон на добу. В інший час сировиною буде 800 тон кукурудзяного силосу на добу, що буде вирощуватися на 5 тисячах гектарів землі.Біогаз буде очищений до стану природного газу за державними стандартами й подаватися в газотранспортну систему України. Загальна продуктивність біогазового енергопарку складе 40 мільйонів м³ біогазуна рік. Собівартість очищеного газу складе всього 30$ за тисячу м³.Компанія «Інсеко» ставить перед собою грандіозні плани за 5 – 7 років довести виробництво біогазу до 1 мільярда м³на рік.Цей проект є величезним навіть за світових мірками. У світі працюють десятки тисяч біогазових станцій. Однак таких масштабів існує близько 20.

Біогаз складається з 62% метану й 38% вуглекислого газу; останній пропонують використовувати в теплицях для прискорення фотосинтезу рослин. Відходи переробки, що містять тільки 12% твердої речовини, використовуються для годування риби. Це допомогло заощадити половину гранульованих кормів зі злаків, які використовують при розведенні риби. Як показали експерименти, багаті білками, мінеральними солями й вітамінами відходи великої рогатої худоби й овець можна використати як корм для худоби, замінюючи ними до 25% сухої речовини корму який вони вживають.

Виробництво біогазу шляхом метанового «бродіння» відходів – одне з можливих рішень енергетичної проблеми в більшості сільських районів країн, що розвиваються. І хоча при використанні коров'ячого гною тільки чверть органічного матеріалу перетворюється в біогаз, останній виділяє тепла на 20% більше, ніж його можна одержати при повному згорянні гною.

Виробництво біогазу має такі переваги: це джерело енергії; відходи процесу служать високоякісними добривами і на довершення сам процес сприяє підтримці чистоти навколишнього середовища. Щоб забезпечити великомасштабний розвиток й економічну вигоду підприємству з виробництва біогазу, необхідно вирішити цілий ряд біохімічних, мікробіологічних і соціальних проблем. Удосконалення стосуються таких областей: скорочення числа сталевих елементів в устаткуванні; створення устаткування з оптимальною конструкцією; розробки ефективних нагрівачів; нагрівання дайджестерів за рахунок сонячної енергії; об'єднання систем виробництва біогазу з іншими нетрадиційними джерелами енергії; конструювання великомасштабних виробничих одиниць для сільських або міських громад; оптимального використання перероблених відходів й, нарешті, удосконалення процесів бродіння й початкової деградації відходів.

Біотехнологія в стані внести великий вклад у вирішення проблем енергетики за допомогою виробництва досить дешевого біосинтетичного етанолу, який крім того є й важливою сировиною для мікробіологічної промисловості при одержанні харчових і кормових білків, а також білково-ліпідних кормових препаратів. Найбільші світові виробники спирту (за даними на 2000 р.): Бразилія – 10,6 млрд.л; США – 6,5 млрд.л; Китай – 3 млрд.л; Індія – 1,7 млрд.л; Росія – 1,3 млрд.л. Стратегічної ролі у бразильській економіці спирт набув у середині 70-их років із введенням програми Proalcool, запущеної в 1975 році після світової нафтової кризи на початку 70-их. У Бразилії виробляється два види етилового спирту: негідрований – використовується як добавка до бензину в пропорції 20 – 24% і не вимагає змін у двигуні; гідрований – використовується як паливо й вимагає спеціального двигуна, що працює на спирті. Бразилія є першою країною, що почала використовувати негідрований спирт як добавку до палива.

Джерелом вуглеводнів також можуть служити водорості. У широко розповсюдженої зеленої водорості Botryococcus braunii (що живе в прісній і солонуватій воді помірних і тропічних зон) вуглеводні залежно від умов росту й різновидів можуть становити до 75% сухої маси. Вони накопичуються усередині клітин, і водорості, у яких їх багато, плавають на поверхні. Після збору водоростей ці вуглеводні легко відокремити екстракцією яким-небудь розчинником або методом деструктивного відгону. Таким шляхом може бути отримана речовина, аналогічна дизельному паливу й гасу.

Зустрічається кілька різновидів B.braunii, які відрізняються пігментацією й структурою синтезованих вуглеводнів. Зелений різновид містить лінійні вуглеводні з непарним (25 – 31) числом атомів карбону, і незначною кількістю подвійних зв'язків. Червоні водорості містять вуглеводні з 34 – 38 атомами карбону й декількома подвійними зв'язками; це так звані "ботриококкцени". Сенс існування двох різновидів у цей час вивчається. Вуглеводні накопичуються в клітинній стінці, їхній синтез пов'язаний з метаболічною активністю водорості у фазі росту. Вихід вуглеводнів при створенні оптимальних умов культивування може досягати 60 т/га/рік для культури водоростей, яка вирощується в товщі води в природних або штучних умовах. Для визначення перспективності використання B.braunii необхідно провести такі дослідження:

– визначити умови, що забезпечують максимальну швидкість росту й утворення вуглеводів у лабораторних і польових умовах;

– з'ясувати, чи можна домогтися швидкості росту B.braunii, порівняно з відомою для інших водоростей;

– розробити відповідні методи вирощування, збору й переробки;

– оцінити застосовність одержуваного продукту як альтернативного джерела палива й мастильних речовин.

Дослідження, пов'язані з виділенням і можливістю утилізації вуглеводнів В.braunii, можуть також сприяти кращому розумінню питання про походження нафти.

Клітинні мембрани деяких галобактерій також розглядаються як альтернативні джерела одержання енергії. Були одержані фотогальванічні елементи на основі бактеріородопсину, які здатні генерувати електричний струм. Крім того, перспективним екологічно чистим і поновлюваним джерелом енергії є фотоводень, який одержують із використанням мембран хлоропластів.

Біогеотехнологія

Деякі мікроорганізми можуть каталізувати певні окисно-відновні реакції – окислення Fe й Mn у воді, окислення сульфурвмісних сполук, окислення-відновлення азотовмісних сполук. Аеробні бактерії можуть виділяти залізо, мідь, сульфати.

Біогеотехнологія – використання геохімічної діяльності мікроорганізмів у гірничодобувній промисловості. Це екстракція й концентрування металів при біологічному очищенні стічних вод підприємств гірничодобувної промисловості й флотаційних процесах: вилужування бідних і відпрацьованих руд, десульфування кам'яного вугілля, окислення піритів і піритвмісних порід.

Своїм корінням біогеотехнологія йде в геологічну мікробіологію. Мікроорганізми приймали й беруть активну участь у геологічних процесах. Біологічні властивості різних груп мікроорганізмів й особливості їхньої життєдіяльності в родовищах корисних копалин складають наукові основи біогеотехнології.

Біогеотехнологія стихійно зародилася ще в XVI в. До нас дійшли відомості про те, що в ті далекі часи в Угорщині для одержання міді добуту руду зрошували водою. Цей нехитрий технологічний прийом виявився прообразом сучасного бактеріально-хімічного методу купчастого вилужування металів з руд. Зрозуміло, тоді ще не знали, що даний процес одержання міді за своєю природою є мікробіологічним. Це стало відомо тільки в 1922 р. завдяки роботам німецьких учених Рудольфа й Хельброннера. Очевидно, 1922р. варто вважати офіційною датою народження біогеотехнології. Надалі біогеотехнологія розвивалася нерівномірно й свого повноліття досягла до початку 80-х років ХХ століття. До цього часу поряд з бактеріальним вилужуванням металів сформувалися й інші розділи біогеотехнології – видалення сульфуру з вугілля, боротьба з метаном у вугільних шахтах, підвищення нафтовіддачі нафтоносних шарів.

Біогеотехнологія вилужування металів – основана на використанні, головним чином, тіонових (окислюючих сірку й сірковмісні сполуки) бактерій для екстракції металів з руд, рудних концентратів і гірських порід. При переробці бідних і складних руд тисячі й навіть мільйони тонн коштовних металів губляться у вигляді відходів, шлаків, «хвостів». Відбуваються також викиди шкідливих газів в атмосферу. Бактеріально-хімічне вилужування металів зменшує ці втрати. Основу цього процесу становить окислення сульфідних мінералів, що містяться в рудах, тіоновими бактеріями. Окислюються сульфіди міді, заліза, цинку, олова, кадмію й т.д. При цьому метали з нерозчинної сульфідної форми перетворюються на сульфати, добре розчинні у воді. Із сульфатних розчинів метали добуваються шляхом осадження, екстракції, сорбції. Одним з можливих шляхів добування металів з розчинів є адсорбція металів клітинами живих мікроорганізмів, так звана біосорбція металів. Метали включаються до складу специфічних білків – металотіонеїнів. Корисними для біогеотехнології видобутку металів властивостями володіє цілий ряд мікроорганізмів. Але основним з них, безумовно, є відкритий в 1947 р. Колмером і Кінкелем вид тіонових бактерій – Thiobacillus ferrooxidans. Необхідну для росту енергію ці бактерії одержують при окисленні відновлених сполук сірки й двовалентного заліза в присутності вільного кисню. Вони окислюють практично всі відомі на цей час сульфіди металів. Джерелом вуглецю для росту бактерій служить при цьому вуглекислий газ. Характерною рисою їхньої фізіології є потреба в дуже кислому середовищі. Вони розвиваються при рН від 1 до 4,8 з оптимумом при 2 – 3. Інтервал температур, у якому можуть розвиватися бактерії цього виду, становить від 3 до 40°С с оптимумом при 28°С. Тіонові бактерії широко поширені в природі. Вони живуть у водоймах, ґрунтах, вугільних і золоторудних родовищах. У значних кількостях зустрічаються вони в родовищах сульфатних і сульфідних руд. Але в умовах природного залягання таких руд активність тіонових бактерій стримується відсутністю кисню. При розробці сульфідних родовищ руди вступають у контакт із повітрям, і в них розвиваються мікробіологічні процеси, що призводять до вилужування металів. Застосовуючи певні біотехнологічні заходи, цей природний процес можна прискорити.

Основною технологічною операцією цього способу є зрошення відвалів добутої руди розчинами, що містять сульфатну кислоту, іони двох- і тривалентного заліза, а також життєздатні клітини тіонових бактерій. Іноді для посилення процесів вилужування усередину відвалу подають повітря. У таких умовах цей розчин фільтрується через товщу руди й у результаті мікробіологічних і хімічних процесів збагачується металами, що видобувають із руди. Потім цей розчин збирають за допомогою системи колекторів, і з нього добувають метали одним із фізико-хімічних методів. Щорічно у світі таким способом добувають сотні тисяч тонн міді, або приблизно 5% від її загального видобутку. У ряді країн цим способом одержують також значні кількості урану.

Біогеотехнологія видалення сульфуру з вугілля основана на використанні тіонових бактерій для видалення сульфурвмісних сполук із вугілля. Як буре, так і кам'яне вугілля нерідко містять значні кількості сульфуру. Загальний зміст сірки у вугіллі може досягати 10 – 12%. При спалюванні вугілля сірка, що міститься в ньому, перетворюється в сірчистий газ, що надходить в атмосферу, де з нього утворюється сульфатна кислота. З атмосфери сульфатна кислота випадає на поверхню землі у вигляді сульфатнокислотних дощів.

За наявним даними, у деяких країнах Західної Європи в рік на 1 га землі з дощами випадає до 300 кг сульфатної кислоти. Неважко собі представити, який збиток наносять кислотні дощі здоров'ю людини, його господарській діяльності й навколишній природі. Крім цього, високосірчисте вугілля погано коксується й тому не може бути використане у кольоровій металургії. Мікробне видалення сірки з вугілля, на думку фахівців, є економічно вигідним, і з ним пов'язують надії на вирішення проблеми сульфатнокислотних дощів.

Перші досліди по спрямованому видаленню сірки з вугілля з використанням мікроорганізмів були виконані в 1959 р. у СРСР С.М. Зарубіною, Н.Н. Ляліковою й Е.І. Шмук. У результаті цих дослідів за 30 діб за участю бактерій Th. Ferrooxidans з вугілля було вилучено 23 – 30% сірки. Пізніше кілька робіт по мікробіологічному видаленню сірки з вугілля було опубліковано американськими дослідниками. Їм удалося за допомогою тіонових бактерій знизити вміст піритної сірки в кам'яному куті за 4 доби майже на 50%.

Цей метод супроводжується попутним вилужуванням різних металів. Відомо, що в помірних кількостях містяться у вугіллі германій, нікель, берилій, ванадій, золото, мідь, кадмій, свинець, цинк, марганець. Попутне одержання коштовних металів при десульфуризації вугілля дає додатковий економічний ефект.

Роботи з видалення піритної сірки з вугілля мікробіологічним шляхом проводиться зараз у багатьох країнах світу. За останніми повідомленнями в лабораторних умовах вдається знизити вміст сірки у вугіллі шляхом мікробіологічного вилужування за 5 діб майже на 100%. Мікробіологічний спосіб десульфуризації вугілля розглядається як досить перспективний.

Біогеотехнологія й боротьба з метаном у вугільних шахтах – використання метанокислюючих бактерій для зниження концентрації метану у вугільних шарах і вироблених пустотах.

У шарах кам'яного вугілля міститься величезна кількість метану, яка досягає сотні кубометрів на 1 т вугілля. При цьому, чим глибше залягає вугілля в надрах землі, тим більше метану він містить. При підземному видобутку вугілля метан з розроблювальних вугільних шарів й вироблених пустот, які при цьому утворюються, надходить в атмосферу шахт. Скупчення цього вибухонебезпечного газу в гірських виробленнях створює постійну погрозу для життя шахтарів. Відомі випадки великих вибухів метану у вугільних шахтах світу, які забрали сотні людських життів.

Традиційні засоби боротьби з метаном у вугільних шахтах (вентиляція, вакуумна дегазація, зволоження шарів водою) в умовах постійної інтенсифікації гірських робіт і переходу на усе більш глибокі вугленосні пласти часто вже не можуть забезпечити одночасно високий рівень вуглевидобутку й безпечні умови праці. В основі біогеотехнологічних способів боротьби з метаном лежить процес поглинання цього газу метанокислюючими бактеріями у вугільних шарах і вироблених пустотах. На даному рівні розвитку науки цей процес являє собою єдину можливість руйнування молекули метану при температурах розроблювальних вугленосних пластів.

Ідея про використання метанокислюючих бактерій для боротьби з метаном у вугільних шахтах належить радянським ученим. У 1939 р. О.С. Юровский, Г.П. Капілаш і Б.В. Мангубі запропонували застосовувати ці бактерії для зниження виділення метану з вироблених пустот. Незважаючи на широке поширення метанокислюючих бактерій у природі, у вугільних шарах і прилягаючих породах вони відсутні. Тому необхідну кількість активних метанокислюючих бактерій вирощують у ферментерах й у вигляді суспензії в поживному середовищі додають у поровий пласт вугільних шарів і вироблені пустоти. Робоча суспензія виготовляється безпосередньо в шахті. У рудничну воду додають задану кількість біомаси метанокислюючих бактерій і відсутні для їхньої активної життєдіяльності мінеральні солі. Як правило, це мінеральні сполуки азоту й фосфору. У вугільний шар робоча суспензія нагнітається насосами через шпари, пробурені у вугіллі або з підземних пустот, або з поверхні землі: 1 т вугілля може прийняти 20 – 40 л робочої суспензії. У вугіллі мікроорганізми розподіляються по тріщинах і порам.

Таким шляхом здійснюється насичення вугілля метаноокислюючими бактеріями. Але для розвитку цих бактерій необхідний вільний кисень, якого немає у вугільних шарах. Тому в насичений метанокислюючими бактеріями ділянки вугільного шару через ті ж шпари компресором постійно прокачується повітря. У таких умовах бактерії споживають метан, що міститься у вугіллі, і за рахунок цього відбувається зменшення вихідної газоносності вугільного шару. Мікробіологічні способи боротьби з метаном були неодноразово випробувані у вугільних шахтах. Надходження метану як з вугільних шарів, так і з вироблених пустот у ході цих випробувань було знижено в середньому в 2 рази. За інших рівних умов це дозволяє підвищувати видобуток вугілля приблизно в 1,5 рази.

Біогеотехнологія й підвищення нафтовіддачі – використання різних груп мікроорганізмів для збільшення вторинного видобутку нафти.

Нафта, як відомо, є в цей час основною енергетичною й хімічною сировиною. Однак за деякими прогнозами світові запаси нафти можуть бути вичерпані вже протягом найближчих 50 років. Разом з тим існуюча технологія дозволяє видобувати тільки половину нафти, яка міститься в родовищах. Це обумовлено міцними зв'язками нафти з породами, які її містять. Підвищення нафтовіддачі на 10 – 15% було б рівносильним відкриттю нових родовищ. У зв'язку із цим у цей час помітно зріс інтерес до пошуку шляхів і засобів підвищення вторинного видобутку нафти.

Один зі способів припускає використання комплексу вуглеводеньокислюючих і метанутворюючих бактерій для збільшення нафтовіддачі який оснований на активації геохімічної діяльності цих мікробів у нафтовому покладі, куди вони попадають разом із поверхневими водами, що закачуються через скважину. Активація цих мікробіологічних процесів досягається шляхом аерації води і додавання в них мінеральних солей азоту й фосфору. Недостатня кількість цих хімічних елементів найчастіше лімітує активність мікрофлори в природних умовах. Нагнітання в нафтовий поклад збагаченої киснем і мінеральними солями води приводить до утворення аеробної зони в нафтоносному шарі навколо нагнітальної скважини. Тут починають інтенсивно відбуватися процеси руйнування нафти аеробними веглеводеньокислюючими мікробами. Це супроводжується нагромадженням вуглекислого газу, водню й низькомолекулярних органічних кислот, які надходять в анаеробну зону нафтового покладу. Тут вони перетворюються метаноутворюючими бактеріями в метан. Руйнування нафти й утворення газів приводять до розрідження нафти й підвищенню газового тиску в нафтоносному шарі, що й повинно супроводжуватися збільшенням видобутку нафти з видобувних скважин.

Біоелектроніка

В області електроніки біотехнологія може бути використана для створення поліпшених типів біосенсорів і нових пристроїв, так званих біочіпів.

Біотехнологія уможливлює створення пристроїв, у яких білки є основою молекул, що діють як напівпровідники. Для індикації забруднень різного походження останнім часом стали використовувати не хімічні реагенти, а біосенсори – ферментні електроди, а також іммобілізовані клітини мікроорганізмів. Ферменти мають найвищу чутливість.

Біоселективні датчики створюють також шляхом нанесення на поверхню йоноселективних електродів цілих клітин мікроорганізмів або тканин. Наприклад, Neurospora europea – для визначення NH₃, Trichosporon brassiacae – для визначення оцтової кислоти.

Як сенсори використовують також моноклональні антитіла, що володіють винятково високою вибірковістю. Лідерами у виробництві біодатчиків і біочіпів є японські компанії, такі як Hitachi, Sharp. Наприклад, компанія Hitachi на початку 90-х ХХ сторіччя років створює проектну груп чисельністю в 200 чоловік винятково для робіт в області біоелектроніки. Компанія Sharp проводить дослідження з розробки комп'ютерів з біокомпонентами.

З'являється новий тип напівпровідників, які володіють великою провідністю. Провідну функцію здійснюють молекули білків. Такі ферментні системи працюють із більшою швидкістю, ніж кремнієві напівпровідники. Біочіпи мають невеликі розміри, надійні й здатні до самозбирання. Ще одна японська компанія, Sony, запатентувала спосіб виробництва високоякісних акустичних систем із целюлози, утвореної бактеріями. Гелеподібна целюлоза висушується. Отриманий матеріал має структуру стільника і використовується як пласка діафрагма акустичних систем.

Біотехнологія в медицині

Антибіотики – найбільший клас фармацевтичних сполук, синтез яких здійснюється мікробними клітинами. До цього ж класу відносяться протигрибкові агенти, протипухлинні ліки й алкалоїди. В 1980 р. світове виробництво антибіотиків становило приблизно 25000 т, з них 17000 т – пеніциліни, 5000 т – тетрацикліни, 1200 т – цефалоспорини й 800 т – еритроміцини. В 1945 р. Бротзу з Інституту гігієни в Кальарі (Сардинія) виділив із проби морської води цвіль Cephalosporium acremonium, що синтезує кілька антибіотиків; один з них, цефалоспорин С, який виявився особливо ефективним проти стійких до пеніциліну грампозитивних бактерій.

З декількох тисяч відкритих антибіотиків велика частка належить актиноміцетам. Серед актиноміцетів найбільше значення має рід Streptomyces, включаючи тетрацикліни (один тільки вид Streptomyces griseus синтезує більше п'ятдесяти антибіотиків). Найпоширенішими з комерційної точки зору виявилися пеніциліни, цефалоспорини й тетрацикліни.

Починаючи із середини 1960-х рр. у зв'язку зі зрослою складністю виділення ефективних антибіотиків і поширенням стійкості до найбільш широко застосовуваних сполук при великій кількості патогенних бактерій дослідники перейшли від пошуку нових антибіотиків до модифікації структури вже наявних. Вони прагнули підвищити ефективність антибіотиків, знайти захист від інактивації ферментами стійких бактерій і поліпшити фармакологічні властивості препаратів. Більшість досліджень бути зосереджені на пеніцилінах і цефалоспоринах, структура яких включає чотиричленне β-лактамне кільце. Додавання до β-лактамного кільця метоксильної (СН₃О)-групи призвело до появи цефаміцинів, близьких до цефалоспоринів й ефективних як проти грамнегативних, так і проти пенициліностійких мікробів. Напівсинтез оснований на заміні хімічним шляхом одного бічного ланцюга β-лактамного кільця на інший в одержаній ферментацією молекулі. Стійкість до пеніцилінів і цефалоспоринів пов'язана з наявністю ферментів, так званих β-лактамаз, які широко поширені серед бактерій, актиноміцетів, ціанобактерій і дріжджів. Це обумовлене тим, що гени, які кодують ці ферменти, входять до складу плазмід, стійкість може передаватися при переносі плазмід від одного бактеріального штаму до іншого. Дослідники фірми «Мерхнув, Шарп і Доум» відкрили новий клас β-лактамних антибіотиків, тієнаміцини, які продукуються Streptomyces cattleya. Тієнаміцини надзвичайно ефективні проти грампозитивних і грамнегативних бактерій, а також здатні гальмувати дію β-лактамази, що значно підвищує можливості цих антибіотиків. До інгібіторів β-лактамаз відносяться також клавуланова й оливанова кислоти, ідентифіковані дослідниками англійської фармацевтичної компанії «Бічем». Компанія випустила новий антибіотик, аугментин, який являє собою комбінацію β-лактамного антибіотика амоксициліну й клавуланової кислоти.

Антибіотики виробляються в результаті спільної дії продуктів 10 – 30 генів, тому практично неможливо виявити окремі спонтанні мутації, які могли б підвищити вихід антибіотика з декількох міліграмів на літр у штамі дикого типу до 20 г/л і більше пеніциліну або тетрацикліну в промислових штамах Penicillium chrysogenum або Streptomyces auerofaclens. Ці високопродуктивні штами були отримані в результаті послідовних циклів мутагенезу й селекції. У результаті мутацій з'явилися нові вторинні метаболіти, у тому числі 6-деметилхлортетрациклін і 6-деметилтетрациклін. Певні мутанти, так звані ідіотрофи, здатні синтезувати тільки половину молекули антибіотика, а середовище повинно бути збагачене іншою її половиною. Така форма мутаційного біосинтезу призвела до відкриття нових похідних антибіотиків, серед них приналежні до аміноциклітольної групи.

Число протипухлинних речовин мікробного походження досить обмежено. Блеоміцин, виділений Умезавой із співр. у Токійському інституті мікробної хімії з культур Streptomyces verticilliis, являє собою глікопептид, дія якого основана на порушенні структури ДНК пухлинних клітин і реплікації ДНК й РНК. Інша група протипухлинних агентів створена на основі комбінації аміногликозидної одиниці й молекули антрацикліну. Недоліком обох сполук є їхня потенційна небезпека для серця.

У медицині застосовують також амінокислоти, наприклад, аргінін. У сполученні з аспартатом або глутаматом він допомагає при захворюванні печінки. K-Na-аспартат знімає втому й полегшує болі в серці, його рекомендують при захворюванні печінки й діабеті. Цистеїн захищає SH-ферменти в печінці й інших тканинах від окислення й проявляє детоксикаційну дію. Він проявляє також захисну дію від ушкодження, які викликані опроміненням. Дигідроксифенілаланін й D-фенілаланін ефективні при хворобі Паркінсона. З поліамінокислот одержують гарний матеріал для хірургії.

У медицині також використовують зелену водорість Scenedesmus. Її культивують у рідкому поживному середовищі (установки дають до 80 тонн водоростей на рік), виділяють і проводять екстракцію етиловим спиртом. Біомасу відокремлюють і піддають ферментативному гідролізу лужною протеазою. Близько 50% білків при цьому розпадається до пептидів. Гідролізат містить майже всі незамінні амінокислоти, являє собою порошок жовтувато-зеленого кольору із приємним запахом і смаком. Використовується цей продукт для швидкого відновлення організму, а також як компонент косметичних засобів. Якщо замість обробки етанолом провести дворазову екстракцію дистильованою водою, а потім висушити, то утворюється порошок ясно-жовтого кольору. Його використовують як біостимулятор і виготовляють із нього препарати для лікування ран, які погано загоюються.

Ще на початку 90-х років ХХ сторіччя з'явилися статті, у яких розглядалися перспективи використання сапротрофної мікрофлори як продуцента біологічно активних речовин (БАР). Передбачається вводити в організм сапрофітні мікроорганізми, які могли б жити в умовах симбіозу з нормальною мікрофлорою організму. Речовини, які синтезуються бактеріальними штамами включаються в систему біохімічних процесів організму. У випадку порушення нормального біохімічного статусу організму вони коректують його, а при патологічному процесі – затримують його або сприяють припиненню. Таке введення одержало назву «мікробіологічне підсадження». До 1992 року було описано вже більше 50 таких штамів і проаналізований діапазон біологічних ефектів, які секретують БАР.

Для лікування широкого спектра захворювань (бактеріальні інфекції кишечнику, дихальних шляхів, гнійних інфекцій, алергій) успішно застосовуються штами Bacillus subtilis (препарат «Бактисубтил», наприклад, використовують при лікуванні діареї). Штамами E. coli лікують ряд кишкових захворювань. БАР, які секретуються сапротрофами, можуть регулювати ферментативні процеси в організмі й вступати у взаємодію із ксенобіотиками які потрапляють до організму. Штами можна одержувати безпосередньо від людини, тоді вони будуть представляти його природну мікрофлору.

Можна цілеспрямовано виводити лабораторні мутантні штами, у тому числі методами генної інженерії й уводити їх в організм. Способи введення можуть бути різні: капсули, розчинні в кишковому сокові, культури штамів-продуцентів на плівковій основі, у вигляді свічок, а при легеневих захворюваннях – у вигляді аерозолів.