Значимость биотехнологических методов для охраны окружающей среды очевидна. Это и определяет тот интерес, который, на мой взгляд, представляет настоящая книга. Она ориентирована, в первую очередь, на специалиста-практика, занимающегося очистнымн сооружениями и охраной окружающей среды, но также может быть полезна всем, кто захочет расширить свой кругозор в этой области.
Эти виды бактерий необходимы, если процесс направлен на получение выходных стоков с низкой концентрацией аммонийного азота. Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны, известно, что они образуют скелет, вокруг которого формируются флокулы [2], с другой— являются источником двух специфических проблем: плохого осаждения и образования устойчивой пены [3—5]. Поэтому необходимо уметь определять не только видовой состав нитчатых бактерий, но и их относительное содержание. Это возможно с помощью метода, основанного на морфологии нитчатых бактерий, их размере и характеристике по Граму и Нейс-серу [6].
Капельные биофильтры — наиболее широко используемый тип аппаратов с неподвижной биопленкой. По существу, это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Двумя важнейшими особенностями насадки являются, таким образом, высокая удельная поверхность (м2/м3) для увеличения площади, пригодной для роста микроорганизмов, и большая пористость, способствующая прохождению воздуха и жидкости (табл. 1.1). Процесс может быть спроектирован в двух вариантах: с малой нагрузкой, когда применяется щебеночная насадка, или с большой нагрузкой, когда используется насадка из пластмассы.
Эксплуатация установок для очистки сточных вод связана со стремлением получать устойчивые результаты в крайне разнообразных и неустойчивых условиях. Вследствие этого простые по конструкции и надежные установки легче эксплуатировать. Часто установки снабжены сложными системами управления и эксплуатации, которые совершенно ненадежны. Как и любое производство, очистка сточных вод подвержена моде и попыткам внедрить новейшую технологию независимо от того, оправдано это или нет. Очень часто простые и надежные установки не нуждаются ни в сложных системах управления, ни в сверхсложных системах контроля.
Большинство систем аэробной очистки сточных вод, независимо от того, гомогенные ли это реакторы или реакторы с неподвижной биомассой, нуждаются в некоторой предварительной очистке сточных вод. В системах очистки бытовых сточных вод она часто заключается в удалении крупных частиц (процеживании через решетку) и удалении песка. Этот жизненно важный аспект очистки сточных вод явился предметом интенсивного изучения в Великобритании, и читатель найдет в соответствующих работах детальное обсуждение многих проблем, связанных с этой сложной операцией.
Все гомогенные реакторы представляют собой различное сочетание этих элементов, и именно это сочетание, если исключить различия в составе сточных вод, определяет производительность аппарата. Задав процесс спецификой конфигурации аэротенка и метода аэрации при данной величине нагрузки, мы установим экологию системы и ее производительность по качеству выходного стока и уровню образования ила. Такой подход представляет собой, конечно, сверхупрощение, так как и другие факторы, например природа ила и изменения в потребности в кислороде, влияют на производительность. При условии, что каждая отдельная операция в данной установке не перегружена, главным параметром, который управляет качеством выходного стока, является нагрузка по органическому .веществу, которой можно управлять в ходе работы в широких пределах, управляя скоростью отвода ила.
Так же как в системах с активным илом, качество выходного стока в реакторах с неподвижной биопленкой зависит от многих факторов, не последнюю роль среди которых играет производительность вторичного отстойника. Весьма часто низкая производительность биофильтров связана только с тем, что были неправильно спроектированы вторичные отстойники. Любой недостаток в работе вторичного отстойника обостряется во время так называемого весеннего смыва биомассы. В зимние месяцы низкие температуры вызывают снижение активности хищников в биопленке, что приводит к накоплению биомассы на фильтре. Весной, когда температура воздуха начинает снова расти и достигается нормальный уровень активности хищников, избыточная биомасса начинает сбрасываться с фильтров. Таким образом, вторичные отстойники испытывают в это время года значительно большую нагрузку, и очень часто это означает заметное увеличение концентрации взвешенных частиц в сбрасываемых выходных стоках (рис. 1.12).
Развитие быстрых анаэробных процессов требует не только оптимизации условий анаэробной биодеградации, но и поддержания высокой концентрации активной биомассы в аппарате. Для лучшего удерживания биомассы используется два подхода.
Термодинамика и кинетика анаэробного процесса детально еще не изучены, однако возможен простой обобщенный анализ, основанный на обычной теории реакторов. Несмотря на то, что упрощенная кинетическая модель иллюстрирует принципы работы как сбраживателей ила бытовых сточных вод, так и быстродействующих реакторов, следует подчеркнуть, что такой подход не обеспечивает должного понимания принципов управления происходящими реакциями.
Приближенные значения величин в уравнениях (2.2) — (2.4), по литературным данным [44, 45], составляют: У = 0,045; КР = = 0,02 сут-1; ¡л = 8,7 сут !; Кс = 165 мг/л.Следовательно, для обычных реакторов с мешалкой в условиях отсутствия какого-либо удерживания биомассы или рециркуляции минимальное время пребывания жидкости в аппарате составляет 5 сут. В других системах можно уменьшить время пребывания жидкости за счет увеличения времени пребывания биомассы свыше 5 сут.
Синергические эффекты, происходящие при сосуществовании этих групп, например различные скорости роста, могут быть объяснены совместным культивированием и возникают в результате взаимодействия типа межвидового переноса водорода [46]. Субстраты, содержащие серу и азот, могут вызывать рост еще двух дополнительных групп сульфатредуцирующих бактерий и денитрификаторов.
Эта функциональная группа бактерий гидролизует макромолекулы до растворимых продуктов, которые могут быть в свою очередь превращены в низкомолекулярные органические соединения.Из других продуктов, которые могут присутствовать в малых количествах, можно назвать малоновую кислоту, некоторые жирные кислоты с более длинной цепью и изомерные жирные кислоты, концентрация которых зависит от характеристик источника питания и культуральных условий.
В результате этой реакции также происходит превращение одной молекулы АДФ в АТФ, следовательно, реакция термодинамически выгодна.Микроорганизмы второй подгруппы ШВ известны как перерабатывающие уксусную и муравьиную кислоту, метанол и метиламины в метан [61]. Уравнение конверсии уксусной кислоты выглядит так: СН3СООН СН4 + СОг. Эта реакция дает только 0,25 моль АТФ и поэтому термодинамически относительно невыгодна.
В стационарном состоянии ц==1/Т, где Т — номинальное время пребывания жидкости в реакторе или среднее время пребывания клеток в проточном реакторе с мешалкой. В табл. 2.2 приводятся значения некоторых констант, определенных в стационарном состоянии.
Многие субстраты существенно влияют на микробиологические процессы при малых концентрациях, стимулируя рост микроорганизмов. Этот эффект наблюдался для анаэробного сбраживания при концентрациях 50 нмоль/л для кобальта и молибдена и 100 нмоль/л для никеля [68], а для солей натрия и кальция— при концентрациях свыше 100 мг/л (табл. 2.3).
Антагонизм и синергизм при анаэробном сбраживании не связаны с какнми-то определенными солями, но они широко распространены для всех солей щелочных к щелочноземельных металлов. Токсический эффект отдельного катиона, присутствующего в стоке, может быть уменьшен или элиминирован добавлением другого катиона, его «антагониста». И наоборот, токсичность будет возрастать при добавлении «синергиста».
Модель описывает поведение системы в нестационарных условиях, и в ее рамках были построены кривые регенерации в присутствии цианидов, хлороформа, формальдегида и меди. Из этих кривых могут быть оценены значения времени, соответствующие прекращению образования газа, а также пороговые и летальные концентрации токсина.
Успешное привыкание к токсинам наблюдалось в периодических, полунепрерывных и непрерывных культурах в реакторах с неподвижной биопленкой и проточных реакторах с мешалкой. В рассмотренных системах присутствовали различные токсины [81—83]. Во всех этих исследованиях была показана адаптивность, причем не адаптированная к токсинам культура в проточном реакторе с мешалкой при 35 °С и времени пребывания 50 сут обнаруживала большую чувствительность к шоковым интоксикациям (табл. 2.5).
Среди многих возможных токсинов, которые могут ингибировать процесс в промышленном сбраживателе, можно выделить наиболее часто встречающиеся при обычных условиях эксплуатации. Они зависят от типа стоков и загрязнений, от которых они были очищены, от частоты производственных циклов (промывка тенка и др.). Токсины, содержащиеся в промышленных стоках, — это соли в высоких концентрациях, аммиак, сера, тяжелые металлы и органические соединения, например фенол и детергенты. Действие многих из них обратимо, и можно использовать несколько методик для преодоления ингибирования.
В комплексе сцепленных биохимических процессов ацидо- и ме-таногенеза кроме конечных образуются различные промежуточные продукты (интермедиаты). Важное место среди них занимают водород и различные органические кислоты. Ингибирование по типу обратной связи возникает тогда, когда процесс не достаточно сбалансирован, из-за чего накапливаются значительные количества этих интермедиатов. Водород является таким сильным ингибитором, что при его концентрации 0,2—0,5 % (по объему) биодеградация субстрата может полностью прекратиться (см. раздел 2.4.2).
Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, и половина служит для накопления ила. Жидкость образуется из расчета потребления воды 120 л на душу населения за 12 ч. Для ее переработки необходим объем 60 л плюс 30 л запасного объема на случай более высокого потребления воды. Объем тенка распределяется между двумя камерами, первая из которых занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила (рис. 2.3). Ил периодически удаляется, обычно раз в год. Некоторое количество ила оставляют в тенке для поддержания в нем анаэробной активности.
Так как сбраживание любого типа протекает при температуре выше температуры окружающей среды, то важнейшим фактором при проектировании и эксплуатации является тепловой баланс [43]. На практике во многих сбраживающих ил системах используется два тенка (рис. 2.4). Первичный сбра-живатель работает с подогревом (30—40 °С), перемешиванием и содержит активно сбраживаемый ил. Во вторичном отстойнике не используется ни подогрев, ни перемешивание, и он служит в основном для уплотнения и накопления осадка (см. главу 4). В таком качестве он не отвечает за основные технические характеристики системы.
Пищевая промышленность имеет тенденцию к образованию стоков с высокими концентрациями растворенных и взвешенных субстратов природного происхождения, а зачастую и углеводов [94]. Специальные реакторы, предназначенные для очистки этих стоков, обычно относительно старой конструкции, характеризуются устойчиво высокой производительностью с единицы объема, но требуют непрерывной подачи сырья и тщательного перемешивания.
При анаэробном сбраживании важным фактором является время пребывания ила в реакторе, часто называемое в производственной практике возрастом ила. Он особенно значим из-за относительно большого среднего времени генерации для ацето-и метаногенных бактерий. Поэтому были предприняты попытки спроектировать реакторы, в которых биомасса могла бы удерживаться и можно было бы избегнуть вымывания медленно растущих микроорганизмов. В станциях аэрации давно применялась рециркуляция ила для поддержания плотности биомассы, и этот принцип был первоначально использован для анаэробного сбраживания в виде анаэробного контактного процесса, в котором ил рециркулирует из отстойника обратно в сбраживатель полного смешения. На основе этой системы был разработан сбраживатель-осветлитель «Дорр — Оливер», в котором происходит не перемешивание, а образование взвешенного слоя микробного ила. Этот процесс явился естественным предшественником анаэробного процесса, основанного на применении слоя ила, взвешенного в восходящем токе. Кроме того, возникло несколько других промышленных разработок, основанных на анаэробном контактном процессе и созданных с аналогичной целью максимизировать время пребывания и, следовательно, оптимизировать очистку сточных вод. К их числу относятся процессы «Анамет» и «Биоэнергия».
Биомасса в анаэробном реакторе со взвешенным слоем ила в восходящем токе, как и в сбраживателе-осветлителе, удерживается благодаря образованию легко оседающих бактериальных флокул в виде гранул диаметром 1—5 мм. Леттинга и Вин-кен с сотр. [105] обнаружили, что в случае образования таких гранул ила можно перерабатывать стоки с высокой нагрузкой. Однако процесс гранулирования ила происходит не на любых стоках; например, сточные воды боен и неочищенные стоки не вызывают гранулирования, а в сточных водах салотопенного производства гранулы образуются только при низкой скорости процесса. Во многих случаях реакторы могут быть засеяны гранулированной биомассой и благодаря этому может быть достигнут высокий уровень перерабатываемой нагрузки.
В общем случае анаэробный биофильтр представляет собой простой биофильтр с восходящим током жидкости для очистки стоков, но, как правило, с более крупной насадкой для того, чтобы избежать заиливания. В первых образцах таких установок использовали щебеночную насадку диаметром 25—65 мм [109, 110], имеющую примерно 50% свободного объема. Эти биофильтры испытывали при очистке бытовых стоков, подвергнутых предварительной очистке, и стоков, содержащих растворимые вещества, способные к биодеградации. Постепенно стали использовать другие типы насадок со свободным объемом до 96% [111]- Высокое содержание биомассы (50%) связано не столько с типом насадки, сколько со свободным пространством в фильтре [41]. Скорость потока сквозь фильтр низка, таким образом, биомасса удерживается в этом свободном пространстве. Высокие концентрации взвешенных твердых частиц или биодеградируемых органических веществ могут вызывать забивание фильтра или проскок стоков.
В табл. 2.7 представлены эксплуатационные характеристики очистных систем такого типа.
Не существует четкого различия между расширяющимся и псевдоожиженным слоем. Согласно популярному определению расширяющийся слой выше неподвижного слоя на 10—20%, а псевдоожиженный — на 30—100 % [41]. Обе системы подобны, и их свойства будут обсуждаться вместе. Они имеют следующие преимущества перед другими реакторами, работающими с высокой нагрузкой.
Если предположить, что все эти условия удовлетворяются одновременно в хорошо перемешиваемой периодической культуре, содержащей дискретно диспергированные бактериальные клетки, которые размножаются делением, то скорость роста бактериальной биомассы во времени будет пропорциональна концентрации бактериальной биомассы, т. е.
Максимальная скорость переноса кислорода достигается тогда, когда Со2 = 0, т. е.Таким образом, при сохранении Кж, а, С 02 и Ухю2 постоянными имеет место линейный рост, до тех пор пока не начнется лимитирование по какому-либо другому питательному веществу или субстрату и культура не перейдет в стационарную фазу.
Стационарная фаза при периодическом культивировании характеризуется постоянным числом бактериальных клеток и медленным снижением содержания сухого вещества биомассы в культуре. Предполагается, что это снижение массы клеток происходит в результате утилизации эндогенных углеродных субстратов для удовлетворения потребностей на поддержание энергии у нерастущих клеток. По существу, это явление включает деградацию как запасных веществ, так и тех клеточных компонентов, которые становятся ненужными при отсутствии роста. В результате этих процессов выделяется энергия и диоксид углерода.
Независимо от того, происходит или нет скрытый рост на продуктах лизиса, в бактериальной культуре, испытывающей в некоторой степени явления смерти и лизиса, это проявляется в снижении Ух/с. Это снижение будет, естественно, уменьшаться при наличии скрытого роста, но из-за потребности в энергии для скрытого роста углерод лизировавшейся биомассы будет не только включаться в новую бактериальную биомассу, но и выделяться в виде диоксида углерода в процессе получения энергии. Максимально возможный коэффициент выхода бактериальной биомассы для скрытого роста составляет 0,67, но в реальных условиях роста он всегда меньше, поскольку либо условия скрытого роста неоптимальны, либо некоторые из продуктов лизиса или медленно поддаются биодеградации, или вообще ей не поддаются.
Широкое распространение бактериостатических и бактерицидных агентов ясно показывает, что бактерии восприимчивы к действию различных химических веществ, которые в зависимости от их природы либо ингибируют рост бзктсрий, либо убивают их. Широко известным примером ингибитора бактериального роста является фенол, а хлор — наиболее известный и широко используемый химический бактерицидный агент. Присутствие ингибиторов в бактериальной культуре может быть либо преднамеренным, либо непреднамеренным, и именно последний случай имеет отношение к очистке загрязненных стоков. Непреднамеренное присутствие ингибирующих соединений в процессе биологической очистки сточных вод проистекает от появления ингибирующих загрязнений (субстратов), образования интермедиатов-ингибиторов и высвобождения соединений-ингибиторов при клеточном лизисе.
Однако уравнение (3.25) не способно описать промежуток между двумя фазами роста, с которым обычно сталкиваются при диауксическом росте.
Температура — важнейший фактор, влияющий как на физиологию, так и на биохимический потенциал микроорганизмов. Тремя основными температурными интервалами, используемыми для классификации типов роста, являются: психрофильный рост, для которого оптимум температур лежит ниже 10 °С; мезофиль-ный рост, для которого оптимум температур лежит между 15 и 40 °С, и термофильный рост, для которого оптимум температур лежит выше 50 °С. Те микроорганизмы, которые могут хорошо расти только внутри одного из этих температурных интервалов, определяются как облигатные в своем температурном интервале, а те, которые способны хорошо расти в различных температурных интервалах, а не только в том, в котором расположен их температурный оптимум роста, определяются как факультативные в своем температурном интервале. Облигатные термофилы и облигатные психрофилы, в отличие от своих факультативных спутников, оптимально адаптированы к росту в соответствующем интервале температур и не должны бороться за выживание и нормальное функционирование при этих условиях.
Как правило, считают, что множество видов бактерий, присутствующих в активном иле, наиболее важны для удаления био-деградируемых загрязнений, и, как следствие, роль других микроорганизмов часто игнорируется. Однако в процессах очистки сточных вод активным илом деятельность хищных простейших, присутствующих в этом сложном биоценозе, настолько сильно влияет на качество выходного стока, что отношения «хищник — жертва» между простейшими и дискретно диспергированными бактериями должны обязательно рассматриваться при попытках реалистично описать процесс очистки.
В случае биореактора идеального вытеснения время пребывания всех частиц в жидкости одинаково и равно V/F. Биореакторы идеального вытеснения встречаются редко, но неидеальные системы вытеснения с различной степенью перемешивания представляют собой обычный случай в технологии очистки сточных вод активным илом. Однако лучшее приближение к режиму идеального вытеснения достигается в каскаде из более чем шести аэротенков полного смешения, работающих без промежуточной подачи субстрата.
Типичная зависимость х и с от D для одностадийного работающего в режиме полного смешения проточного биореактора непрерывного действия или хемостата показана рис. 3.4. Из рисунка видно, что величины х и с остаются практически постоянными в широком интервале скоростей разбавления. Однако, когда D приближается к цт, то происходит крутое падение значения х с одновременным резким возрастанием с. Точка, в которой х — 0 и с = Со, является критической скоростью разбавления, равной максимуму удельной скорости роста; после нее начинается полное вымывание биомассы в системе, работающей в режиме полного смешения.
Этот список, быть может, не полон, но он подчеркивает сложность процесса очистки сточных вод активным илом и множество особенностей процесса, которые должны быть учтены при попытке составить реалистические уравнения, эффективно описывающие процесс в целом и составляющие надежную основу для проектирования этих процессов.
Каждый тип ила обладает различными свойствами в таких процессах, как, например, перекачка, химическая обработка или фильтрование. Поэтому выбор способа переработки определяется главным образом экономическими показателями процесса, зависящими от типа ила.
Различные типы сырых осадков сточных вод первоначально не отличаются высокой концентрацией твердых компонентов. Поэтому, согласно современным теориям утилизации ила, в большинстве случаев необходимо обеспечивать определенную степень обезвоживания еще до начала основных процессов переработки. Одним из наиболее простых способов достижения этой цели является длительное осаждение под действием силы тяжести — отстаивание. Необходимо различать первичное и вторичное отстаивание [170]. Первичное применяется непосредственно после сброса сточных вод. Этот процесс может проводиться как в периодическом, так и непрерывном режиме, причем для увеличения скорости осаждения в конструкции отстойника может быть предусмотрено специальное устройство из вертикально установленных стержней. Концентрирование ила достигается за счет давления верхнего слоя осадка, выжимающего воду из слоя твердых частиц. Стержни (рис. 4.1) способствуют этому процессу, обеспечивая: удаление пузырьков газа, предотвращение слипания твердых частиц и образование каналов для восходящего тока воды. Обычно расстояние между вертикальными стержнями составляет 100 мм, а частота вращения выбирается таким образом, чтобы окружная скорость находилась в пределах 0,5—3 м/мин.
Хотя на фильтр-прессах и ленточных прессах обезвоживают до 75 % всех осадков, в Великобритании для этой цели применяют и вакуумные фильтры. Наиболее широко распространенная конструкция — барабанный вакуум-фильтр (рис. 4.7). Барабан состоит из ряда камер, к каждой из которых может подводиться либо вакуум (40—90 кПа), либо избыточное давление. В качестве фильтрующего материала может использоваться ткань, проволочная сетка или конструкция из плотно упакованных проволочных спиралей, расположенных таким образом, чтобы их оси совпадали с направлением вращения. Ил загружают в резервуар, в который погружен барабан, вращающийся со средней скоростью 5 мм/с. В результате вакуумирования погруженной камеры пленка влажного осадка налипает на фильтрующий материал. В процессе вращения барабана ваку-умирование продолжается для создания движущей силы фильтрационного процесса. Незадолго до завершения полного оборота вакуумирование прекращается и прикладывается избыточное давление. Это обеспечивает отделение осадка. Как правило, осадок при таком процессе содержит больше влаги, чем полученный на фильтр-прессе. Тем не менее этот процесс обладает таким важным преимуществом, как непрерывность. Эксплуатационные характеристики процесса вакуумного фильтрования приводятся в работе Нельсона и Тэвери [185], там же дается перечень возможных аварийных ситуаций .и программа предупредительного контроля оборудования.
Обезвоживание большинства типов ила, полученных в ходе различных операций по переработке стоков, — сложный процесс. Необходимой стадией является предварительная обработка ила с целью улучшения фильтруемости. Это и есть модификация его свойств. Как правило, этот процесс заключается в добавлении химикатов, действующих как коагулянты или флокулянты. В качестве таких реагентов могут быть использованы неорганические соли (известь, хлорид железа, сульфат железа, хлоргидрат алюминия) или специально подобранные органические полимеры с различной молекулярной массой и ионным сродством. Конкретные условия применения полимеров лучше всего изложены в Справочнике по использованию полиэлектролитов [187]. Одним из основных испытаний является определение удельного сопротивления фильтрования г.
В этой формуле [181] количество ила, производимого на душу населения, принимается 1,8 л/сут при содержании твердых частиц (по сухому веществу) до 4,5 % [что эквивалентно нагрузке по твердым частицам 1,8 кг/(м3 ■ сут)].
У этого процесса есть два недостатка. Первый заключается в том, что степень обезвоженности образовавшегося ила не больше, чем у исходного, второй — в том, что этот тип сбраживания, в отличие от анаэробного, нуждается в энергии. Обычно потребляемая энергия составляет 0,7—4,4 кВт/кг окисленной ЛФ [208; 209]. Поскольку в результате термофильного аэробного сбраживания обеспечивается практически та же степень стабилизации ила, что и в случае анаэробного сбраживания, то приходится выбирать между этими процессами. Согласно результатам сравнительного анализа, приведенным в работе Риг-лера [210], аэробное сбраживание следует применять при большом количестве перерабатываемого вещества (более 50 000 населения), тогда как анаэробное сбраживание более выгодно при малых объемах. Францен н Хакансон [211] пришли к аналогичному выводу. Технические характеристики отдельных установок известны, однако еще предстоит разработать методы их общего масштабирования и оптимизации.
Этот способ ликвидации осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и токсичных элементов. Распространение патогенных организмов может быть пресечено рядом мер по дезинфекции ила перед его внесением в почву (см. раздел 4.3). Однако эти меры в настоящее время распространены в Великобритании не очень широко. Основными стабилизирующими ил процессами, принятыми в Великобритании, являются сбраживание, складывание в кучи или обработка известью [212]. В качестве альтернативы возможно захоронение ила ниже уровня почвы, что обеспечивает отсутствие контакта между патогенными микроорганизмами и сельскохозяйственными культурами. Это также позволяет избежать дурных запахов.
Этот способ широко распространен в Великобритании, которая сбрасывает таким образом около 107 т влажного ила. Остальные европейские страны менее привержены этому подходу [170; 216]. Захоронение ила (и других твердых отходов) в море регулируется ежегодными лицензиями, выдаваемыми Министерством сельского хозяйства (в Англии и Уэльсе). Эти лицензии, в которых определены места сброса, а также количество и качество сбрасываемого материала, составлены так, чтобы удовлетворять требованиям двух международных соглашений: Лондонской конвенции и конвенции Осло. Таким образом предупреждается неограниченный сброс токсичных материалов. Любое потенциальное воздействие на окружающую среду в море регулярно контролируется. Эти обследования проводятся для того, чтобы сброс ила не оказывал существенного воздействия на морские организмы [217].
Этот последний параметр важен тем, что он определяет, является или нет ил автотермичным. Минимальное необходимое для автотермичности значение потенциала тепловыделения составляет 5400 кДж/кг выпариваемой воды [219]. Поэтому важно, чтобы концентрация как твердых частиц, так и органической (летучей) фракции была как можно большей. С этой точки зрения легче сжигать сырой, а не сброженный ил, так как последний теряет часть своего энергетического потенциала в виде биогаза (табл. 4.5). Кроме того, содержание органических веществ может быть повышено за счет введения нефтяных осадков из: промышленных стоков.
Альтернативный подход развивается в настоящее время в Великобритании и ФРГ. Он основан на сжигании биогаза в иле с помощью погруженных горелок [225]. Эксплуатационные условия в таком реакторе (Великобритания) позволяют достичь температуры 55 °С в течение 3 ч.
Термофильное сбраживание как аэробное, так и анаэробное (см. разделы 4.2.4 и 4.2.5) позволяет достичь значительного уровня обеззараживания. Согласно современным теориям более предпочтительным процессом является аэробное сбраживание. Влияние этого типа сбраживания на содержание клеток Salmonella spp. в иле показано в табл. 4.7.
В работе Вайта [227] была сопоставлена стоимость трех методов радиационной обработки и показано, что с точки зрения экономичности использования цезия-137 имеет существенные преимущества. Однако на стоимость будут также влиять доза, тип ила и производительность установки. Выбор, таким образом, зависит от многих факторов, но по стоимости этот метод сопоставим с пастеризацией. Некоторое преимущество радиационной обработки состоит в лучшей осаждаемости и более низкой концентрации ВПК в иловых жидкостях.
Хотя внесение ила на поля может рассматриваться как его использование, существуют количественные ограничения на этот способ. Эти ограничения проистекают из наличия в иле токсичных ионов металлов и следовых количеств токсичных органических соединений. Более того, существует мнение, что не следует так необдуманно избавляться от такой сложной смеси веществ, какой является ил. За время, прошедшее с момента публикации обзора [234], в котором были рассмотрены возможные способы использования ила, появился ряд работ, в которых высказывались новые подходы к этой проблеме [235, 236]. Но практически ни одна из этих идей не вышла из стадии обсуждения. И все же можно надеяться, что использование этих подходов для детоксификации ила, извлечения различных продуктов и конверсии во вторичные продукты — совершит переворот в технологии переработки ила.
По мере исчерпания невозобновляемых ресурсов больший упор делается на исследования в области повторного использования отходов. Однако ясно, что даже при современных технологиях простая ликвидация отходов на свалках как минимум на 65 % дешевле любого другого способа их переработки [238], и в силу этого данный способ ликвидации отходов в настоящее время наиболее распространен. Более того, после того как стало ясно, что из отходов образуется в больших количествах ценный источник энергии — метан, основные усилия были направлены на извлечение этого газа и на соответствующее изменение свалок.
Состав твердых отходов варьирует в зависимости от страны, типа хозяйства, а также времени года [239, 240]. Однако, несмотря на то, что в развитых странах состав твердых отходов становится все более однотипным, существенные различия встречаются даже на относительно небольших расстояниях, например, в пределах Великобритании доля пластмасс и растительных остатков в твердых отходах составляет 7 и 25 % соответственно для Англии и Уэльса, и 11 и 18%—для Центральной Шотландии.
Перед транспортировкой твердых отходов на свалку они могут быть подвергнуты обработке, т. е. измельчению, перемалыванию и дроблению [245]. Эта предварительная обработка может сильно влиять на катаболические процессы в твердых отходах. На типичной свалке, где отходы размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям, например попаданию воды, содержащей растворенный кислород или различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель периодических культивирований, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки (постепенная загрузка без ежедневного закрывания ячеек) можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.
Фильтрующиеся в почву воды содержат растворимые соединения, органические и неорганические, вместе с микроорганизмами, такими как вирусы и бактерии. Многие вещества, обнаруживаемые в этих водах, образующихся на свалках бытовых твердых отходов, перечислены ниже. Этот список мог бы быть гораздо более обширным, если бы в него включили данные, полученные на свалках для промышленных отходов [257].
Ликвидация токсичных и опасных отходов на свалке, отдельно или вместе с твердыми отходами, требует тщательного выбора места свалки и материала для ограждения [288]. Геологический пласт с естественной проницаемостью дистиллированной или водопроводной воды 10-7 см/с или менее считается вполне подходящим для ликвидации многих типов опасных отходов. Часто токсичные и опасные жидкие отходы и илы (токсичные, канцерогенные, мутагенные, коррозионные, огнеопасные, радиоактивные или химически активные [289]) подвергаются стабилизации или отверждению перед их ликвидацией на свалке [290]. При обработке неорганическими стабилизаторами, такими как цемент, связывание зависит от гидратации, в то время как действие органических полимеров, таких как полиэфиры, основано на физической инкапсуляции за счет создания непроницаемой оболочки, которая нуждается в тщательной проверке.
Биогаз, образующийся на свалке, с одной стороны, может быть нежелательным продуктом, а с другой — служить источником энергии. Выбросы этого газа, которые могут быть обнаружены термографическим методом, приводят к появлению дурного запаха, закислению грунтовых вод и снижению урожая сельскохозяйственных культур (вплоть до полной гибели урожая), следовательно, утечки этого газа должны быть ограничены [296]. Для того чтобы эти ограничения выполнялись, необходимы приспособления, позволяющие управлять перемещением газа, например различные преграды и траншеи, наполненные гравием на небольшую глубину, и системы экстракции газа или инжектирования, размещенные на большей глубине (более 6 м) [297]. Могут быть изготовлены оболочки, препятствующие утечке газа из природных материалов и из искусственных пленок [298]. Если удается проконтролировать перемещения газовых потоков, то проблема решается сжиганием или пропусканием газа через почву. Ловушки из мелкопористой почвы снижают количество дурнопахнущих веществ, которые окисляются в ней аэробной микрофлорой [299, 300].
Свалки представляют собой в основном сложные системы. Исследования in situ только осложняют проблемы, возникающие при работе свалки. Необходимо дополнять такие исследования в лаборатории в определенных и контролируемых условиях, соотнося их результаты с полученными в естественных условиях.
Клеточная иммобилизация — это процесс, при котором клетки прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от характеристик окружающей среды. Обычно это достигается путем значительного увеличения эффективного размера или плотности клеток при агрегации или с помощью прикрепления клеток к какой-либо несущей поверхности. Такие флокулированные клетки в виде больших агрегатов, в которых клетки прикреплены друг к другу, могут рассматриваться как иммобилизованные, если флокулы могут быть быстро отделены от жидкости с помощью относительно грубых фильтров или быстрого осаждения. Другим примером иммобилизованных клеток являются клетки, прикрепленные к твердым частицам со сравнительно высокой относительной плотностью, что делает возможным их отделение от жидкости.
Физическое поведение микробной популяции, существующей в виде отдельных клеток, взвешенных в жидкой среде, определяется особенностями жидкости как таковой. Другими словами, индивидуальные клетки ведут себя как элементы жидкости, в которой они суспендированы. Поэтому при удалении жидкости из сосуда, содержащего взвешенную микробную популяцию, часть клеточной популяции также будет изъята. Это накладывает жесткие ограничения на эксплуатацию таких систем, так как часто требуется, чтобы клетки были сохранены для непрерывного или повторного культивирования. С этой целью клетки необходимо отделить от среды, что легко достигается, если клетки могут быть помещены в условия, при которых их физические (гидродинамические) характеристики отличаются от таковых жидкости. В этом случае клетки можно рассматривать как иммобилизованные.
В настоящее время разработано большое число методов иммобилизации, многие из которых повторяют приемы иммобилизации ферментов. В определенной мере выбор методики определяется желаемым физиологическим состоянием клеток и целью, с которой они применяются. На рис. 5.1 представлены типы физиологического состояния иммобилизованных клеток. Понятно, что некоторые методы не подходят для всего спектра состояний, другие же практически в равной степени пригодны для иммобилизации клеток в любом физиологическом состоянии. Методы иммобилизации можно разделить на группы согласно используемому физическому процессу: прикрепление, внедрение, включение и агрегация.
Клетки при иммобилизации можно заключать внутрь различных простых материалов, как приготовленных заранее, так и формирующихся in situ вокруг клеток. Внедрение внутрь готовых структур обычно является естественным следствием роста клеток, причем эффективность иммобилизации, как и в случае естественного прикрепления, зависит от типа клеток и носителя. Напротив, пористые структуры, образующиеся in situ, можно использовать для иммобилизации практически любого типа клеток, хотя иногда условия образования частиц носителя могут быть губительны для клеток.
Вряд ли можно представить себе более простой и мягкий процесс, чем включение клеток в альгинат кальция [327, 328]. Клетки суспендируют в растворе альгината натрия и смешивают с раствором соли кальция. Гель образуется на поверхности мгновенно, но его необходимо выдержать 20 мин для полной полимеризации альгината. В альгинат и раствор соли кальция можно включать защитные материалы, такие как питательные и поддерживающие осмос вещества.
Клетки можно иммобилизовать путем флокуляции с образованием больших агрегатов, что позволяет сохранить их в непрерывно работающем реакторе, например, с неподвижным или псевдоожиженным слоем. Естественная флокуляция дрожжевых клеток происходит по окончании ферментации, иммобилизованные таким путем клетки используются в башенных ферментерах при производстве пива [334]. Мицелий грибов также образует агрегаты в виде сферических пеллет [335]. Флокуляция является характернейшим процессом очистки сточных вод активным илом [336]. Для усиления агрегации могут использоваться искусственные флокулянты, хотя механизм флокулообразования еще слабо изучен [337].
Первым целенаправленным применением иммобилизованных клеток, возможно, было создание Пастером агрегата для получения уксуса, в котором клетки Асе1оЬас1ег прикреплялись к поверхности деревянной стружки. Этот тип биореактора, капельный фильтр, до сих пор применяется при производстве винного уксуса и для очистки сточных вод (рис. 5.3, а, см. также главу 1).
Основная проблема, осложняющая использование иммобилизованных клеток в реакторах полного смешения, возникает из-за жесткого воздействия, которому подвергаются в реакторе частицы, к которым прикреплены клетки. Большое срезающее усилие приводит к значительным повреждениям, особенно в случае гелевых частиц. Во избежание разрушения частиц при перемешивании применяется модификация классических реакторов: заключение мешалки в пористую ячейку. Корзиночный реактор, показанный на рис. 5.3, б, который пока применяется только в лабораторной практике, был разработан для защиты частиц носителя от разрушающего действия мешалки. Лопасти мешалки сделаны из сетчатых корзин, в которые помещены частицы носителя. Это обеспечивает хорошее перемешивание и одновременно защищает от трения. Такие приспособления позволяют использовать существующие реакторы, но они все же не столь эффективны, как реакторы, специально спроектированные для использования иммобилизованных клеток.
Реакторы этого типа широко распространены и, по крайней мере в лабораторной практике, весьма удобны. Обычно именно они используются при апробировании новых методов иммобилизации клеток. В них трудно, однако, производить количественную оценку и масштабировать процесс. Реакторы идеального вытеснения с неподвижным слоем и однократным протоком могут обеспечить высокую скорость реакции благодаря высоким концентрациям субстрата, но из-за низкой скорости потока имеют относительно низкие коэффициенты тепло- и массопере-носа. В реакторах с неподвижным слоем удается достичь более высоких значений этих характеристик и лучшей управляемости процессом за счет рециркуляции.
Реакторы с псевдоожиженным слоем, в которых частицы суспендированы в восходящем токе жидкости (часто смесь газа и жидкости), в последнее время оказались в центре внимания. Особый интерес привлекает биологическая очистка воды и сточных вод с помощью такого реактора, где возможно применение твердых частиц, например песка или пористых структур (ЧНБ) [314]. Использование реакторов с псевдоожиженным слоем разрабатывалось также для асептических систем [340, 343]. Такой ферментер изображен на рис. 5.3, е.
Фостер с сотр. [351] описывают процесс получения в лабораторных условиях иммуносупрессанта циклоспорина А в эр-лифтном реакторе с байпасом при использовании иммобилизованного в каррагенановых бусинах (4—5 мм) гифомицета То-1урос1асИит т Шит. Иммобилизации грибов, позволяющая снизить вязкость среды по сравнению с ферментацией в полу-погруженном состоянии, приводит к достижению адекватного уровня растворенного кислорода.
Работа современных анаэробных реакторов, используемых для очистки сточных вод, основана на использовании неподвижной биомассы (см. главу 2). Конструкции двух сбраживателей такого типа нуждаются в дополнительных комментариях. Это реактор с восходящим через слой или потоком и реактор с псев-доожиженным слоем. Одной из существенных особенностей реактора с восходящим потоком является агрегация ила в виде компактных гранул [352, 353]. Они устойчивы к силам гидравлического трения и обладают высокой скоростью осаждения (0,012 м/с) [354]. Однако условия, необходимые для их образования, изучены плохо, хотя известно, что для этого может быть необходимо присутствие ионов кальция и фосфата [352, 355]. Анаэробные реакторы с псевдоожиженным слоем работают так же, как их аэробные аналоги с биопленкой на твердом носителе, например песке. Встречаются, однако, указания на то, что в анаэробных реакторах микроорганизмы образуют два слоя: внутренний из нитчатых видов, покрытый внешним из палочек и кокков [356]. Необходимо отметить, что процесс естественной иммобилизации анаэробных микроорганизмов, независимо от того, происходит ли она как флокуляция или как пленкообразо-вание, изучен существенно меньше, чем иммобилизация аэробных видов.
Оказывается, что, за исключением культур растительных и животных тканей, использование иммобилизованных клеток при периодическом культивировании не дает каких-либо преимуществ и, возможно, даже невыгодно из-за затрат на иммобилизацию и низких удельных скоростей реакций. Преимущества проявляются при повторном культивировании, например, при производстве уксуса. В таких случаях производительность реактора можно считать близкой стандартному периодическому процессу, но с большим объемом инокулята. Наибольшие различия в производительности между системами с иммобилизованными и свободно суспендированными клетками наблюдаются при непрерывном культивировании, так что следующие разделы будут посвящены именно таким процессам.
Содержание биомассы X легко определяется для этой системы из небольшого образца выходного стока, на основании того, что плотность микробных клеток близка таковой в культуральной среде, кроме того, размеры клеток микроскопические, поэтому в хорошо перемешиваемом сосуде любой элемент его объема содержит равное количество клеток.
При сохранении клеточного роста во время работы реактора нет оснований считать, что при скоростях разведения менее 10ц. (где ¡я — удельная скорость роста организма в данных условиях) рабочая жидкость не содержит свободных клеток. Детально вклад свободно суспендированных и иммобилизованных клеток обсуждается Блэком [360].
В случае прикрепленных пленок существуют ограничения толщины накапливаемой биомассы. Ее можно регулировать или концентрацией лимитирующего субстрата [366], или увеличением трения частиц друг о друга или о стенки реактора [367]. Сила трения будет зависеть от соотношения силы среза, действующей на частицы, и сил адгезии клеток к поверхности частицы. Эти силы адгезии видоспецифичны и широко варьируют для разных видов [368].
Потребность культур в кислороде накладывает одно из наиболее серьезных ограничений на интенсификацию аэробных биологических процессов. Проблема встает особенно остро для систем с иммобилизованными клетками, к которым кислород диффундирует через твердую фазу. Отношение активности иммобилизованных клеток к таковой свободных клеток определяется как коэффициент эффективности К (0 < X-< 1) [372].
Развитие и расширение применения методов иммобилизации клеток приводят к постановке многих новых интересных, но трудных проблем управления физиологией клетки. Биокатали-тические способности, особенно стабильность и ферментационная активность в процессе культивирования, могут быть оптимизированы лишь с учетом физиологического состояния клеток до, во время и после иммобилизации. Один из наиболее трудных моментов связан со сложными и плохо изученными условиями микроокружения, особенно с градиентами физико-механических параметров, которые влияют на клетку внутри носителя. Максимальное внимание уделяется проблеме снабжения кислородом и отвода С02, но действуют также и другие факторы. У иммобилизованных клеток наблюдаются многочисленные непредсказуемые изменения в росте и метаболизме, некоторые из них благоприятно, а другие отрицательно влияют на процесс. К первым относится повышение стабильности иммобилизованных клеток по сравнению со свободными [378]. Физиология иммобилизованных клеток в настоящее время изучена плохо, но, вероятно, именно она станет одним из наиболее важных аспектов дальнейшего развития технологии на основе иммобилизованных клеток.
Скорость массопереноса / считается пропорциональной меж-фазной разности концентраций, площади поверхности раздела фаз А и связывающему их коэффициенту (коэффициент массо-передачи Кг и Кж Для газа и для жидкости соответственно).
Величину тв также невозможно измерить, но рост турбулентности ведет к ускорению перемещений вихрей и, следовательно, к снижению тв и увеличению Кж.Могут быть предложены и другие, более сложные модели, но все они имеют общий недостаток: включают один или несколько параметров, которые невозможно измерить.
Возможно также, что загрязнения, скапливающиеся на поверхности, увеличивают сопротивление массопереносу. Так, содержание нефти на уровне миллионных долей может снижать скорость массопереноса не менее чем на треть [381]. С другой стороны, ионные соли повышают эту скорость за счет вызванного ими увеличения площади поверхности [382].
Увеличение вязкости снижает коэффициент массопереноса. Анализ размерностей при рассмотрении процесса массопереноса дает общую связь кинематической вязкости с коэффициентом диффузии через число Шмидта. Кинематическая вязкость входит также в число Рейнольдса, характеризующее уровень турбулентности потока. Однако ни одна из моделей, связывающих гидродинамику с массопереносом, не может точно предсказать общее влияние динамической вязкости. Очень часто, когда вязкость текучей среды существенно больше вязкости воды, она оказывается неньютоновской. Следовательно, кажущаяся вязкость должна определяться по напряжению сдвига в данной зоне потока.
В основном этот раздел посвящен измерению С , Сж и различиям АС в аппаратах разных форм и размеров.
Этот фактор исследован в меньшей степени, чем а, и обычно принимается равным 0,9.Из уравнения (6.13) ясно, что С’ возрастает, если процесс ведется под давлением, создаваемым либо аэратором, либо за счет гидростатического столба. Наиболее яркий пример последнего варианта — шахтный аппарат, в котором высота столба жидкости достигает 100 м (см. главу 1). Альтернативным способом повышения С является использование воздуха, обогащенного кислородом (или чистого кислорода ) как, например, в процессе «ипох» (см. главу1). При таком подходе снижается количество отходящего газа, хотя, учитывая, что чрезмерно высокая концентрация кислорода способна отрицательно воздействовать на микроорганизмы, рециркуляция аэрирующего газа может оказаться предпочтительней. Однако повышение С с помощью повышения либо Р, либо у увеличивает издержки производства, и они могут превысить выигрыш от увеличения скорости аэрации.
Шахтная установка и система, сочетающая перемешивание с барботажем (рис. 6.3), являются моделями изменения переменной по объему аппарата движущей силы процесса и двух наиболее часто встречающихся типов движения потоков. Между точками 1 и 2 в шахтном аппарате (рис. 6.4) кислород переходит из газовой фазы в жидкую, и в ней потребляется микроорганизмами. Однако между точками 2 и 3 по мере падения давления С снижается, и, хотя происходит потребление и частичная десорбция кислорода, будет существовать обширная область, перенасыщенная кислородом. Для этой системы характерно строгое изменение концентрации кислорода в обеих фазах, так как они движутся в режиме, близком к режиму идеального вытеснения [386].
Для большинства высоковязких жидкостей модель полного смешения несправедлива уже в малом объеме. Это особенно ярко выражено в случае жидкостей с аномальной вязкостью, когда в зоне, непосредственно прилегающей к мешалке, происходит полное смешение, а в остальном объеме жидкость практически неподвижна [390].
Энергия, сообщаемая жидкости с помощью аэратора, должна обеспечивать требуемое перемешивание и будет влиять на значение /С . Однако более всего она будет способствовать увеличению площади поверхности раздела фаз, через которую идет процесс массопереноса, хотя эта площадь только частично локализована в месте ввода энергии.
Измерение величины А само по себе достаточно сложно. Она зависит от размера пузырей и удерживающей способности еу, причем оба эти параметра переменны по объему аппарата (см., например, [393]).Измерение и предсказание изменений значений А по объему в крупномасштабном оборудовании все еще остается сложной проблемой.
Между вязкостью, размером пузырей и газосодержанием существует сложная взаимосвязь. Рост вязкости и неньютоновских свойств жидкости вызывает заметное изменение размеров пузырей и распределения их по размеру. Увеличение доли воздуха в жидкости связано с возникновением пузырей очень больших размеров благодаря более легкой в этих условиях коалес-ценции. При этом, однако, образуется также большое количество очень мелких пузырей [407, 408]. Большие пузыри имеют высокую скорость подъема и малое время пребывания, с другой стороны, мелкие пузыри могут оставаться в жидкости неопределенно долгое время. В зависимости от соотношения этих двух факторов газосодержание может возрастать или убывать [391, 406].
Основной метод измерения скорости оксигенации основан фактически на удалении кислорода. Это возможно, если вода может быть обескислорожена, и процесс неустановившейся оксигенации проходит так, что значение КЖА (или Кжа) можно непосредственно определить. Наиболее часто употребляемые способы обескислороживания — добавление сульфита натрия (применяется стандартная методика) или продувка азотом [388]. Недавно была показана возможность использования каталитической реакции с гидразином, преимущество которой перед сульфитной методикой в том, что единственными продуктами реакции являются вода и азот, не влияющие на свойства системы [400].
С учетом всего вышесказанного можно определить основные критерии, соответствующие оптимальной эффективности энергозатрат [413]. Для инженеров существует широкое поле деятельности по совершенствованию систем аэрации и их управления с целью повышения их эффективности по сравнению с существующими. Любые разработки в этой области нуждаются в учете основных концепций, изложенных в этой главе.
Как микробиологи, так и геологи давно осознали тот факт, что микроорганизмы играют важную роль в концентрировании и распределении химических элементов в литосфере. Это особенно справедливо для многих металлов, которые, являясь существенными компонентами сложных биологических реакций, необходимы для поддержания метаболизма у большинства микроорганизмов. Эти химические элементы непосредственно включаются во внутриклеточные биохимические реакции, вследствие этого микроорганизмы могут их накапливать или экскре-тировать в концентрированном виде. Кроме того, внеклеточная химическая активность, инициируемая или катализируемая микроорганизмами или выделяемыми ими органическими соединениями, может приводить к образованию побочных продуктов, которые служат источниками питания или энергии для их дальнейшего роста. Железо и сера являют собой характерный пример химических элементов, которые могут как окисляться, так и восстанавливаться различными микроорганизмами, представляя собой важный источник энергии для их роста.
Наиболее важную группу бактерий, участвующих в выщелачивании сульфидных минералов, составляют ацидофильные тио-бациллы, принадлежащие к семейству Thiobacteriaceae. Они характеризуются хемосинтетическим метаболизмом и способностью использовать окисление неорганической серы и ее соединений для получения энергии для роста. Поэтому их относят к группе хемолитотрофов. Было показано [414], что эта группа состоит из бактерий трех категорий, т. е. включает автотрофов, которые получают углерод для роста только из диоксида углерода, миксотрофов, которые могут использовать углерод, полученный как из диоксида углерода, так и из органических соединений, и гетеротрофов, единственным источником углерода для которых является органический субстрат. Большинство видов тиобацилл являются мезофильными бактериями, для роста которых оптимальные температуры находятся между 30 и 35 °С. Однако были выделены и умеренно термофильные виды, которые лучше растут при 45—50 °С.
В реакциях (7.1) и (7.2) образуется сульфат железа (II), а элементарная сера получается как побочный продукт только во второй реакции. Эти реакции (при нормальных условиях) идут с очень маленькой скоростью из-за образования слоя продуктов реакции (серы) на поверхности частиц пирита, что приводит к протеканию реакции в диффузионной области.
Системам для извлечения металлов с помощью бактериального выщелачивания присущи и недостатки, важнейшим из которых является необходимость поддержания активной культуры нужных микроорганизмов. В связи с этим требуется управление температурой реакции и внесение соединений и элементов, необходимых для ее роста. Нужны такие условия, в которых ничто не препятствовало бы росту микроорганизмов и не ухудшало процесс выщелачивания. Кроме того, бактериальное выщелачивание — гораздо более медленный процесс по сравнению с процессом химического выщелачивания. Скорость окисления минералов тесно связана со скоростью роста используемых микроорганизмов, а эта последняя есть величина относительно постоянная.
Выщелачивание отвалов также практикуется во многих странах и, по-видимому, это наиболее широко используемый вид бактериального выщелачивания. Оно применяется для переработки сырья, обычно рассматриваемого как отходы при крупномасштабной добыче открытым способом, либо для переработки накопившихся в течение ряда лет отвалов, содержащих медь в рассеянном состоянии. Интересно отметить, что в США примерно 15 % меди извлекается с помощью выщелачивания отвалов. При таком выщелачивании образуется раствор с меньшей концентрацией металла, чем при выщелачивании куч. Переработка как куч, так и отвалов подобна процессу природного бактериального выщелачивания, а главное отличие состоит в том, что она проводится и управляется так, чтобы оптимизировать извлечение металла.
Выщелачивание in situ используется в тех случаях, когда минералы могут подвергнуться выщелачиванию без извлечения их из земли с помощью шахт. Такой метод находит применение в старых подземных разработках и бедных месторождениях, где извлечение руды с помощью шахт невыгодно, но где достаточно много металла, чтобы финансировать его извлечение с помощью бактериального выщелачивания. Существующие шахты или новые скважины, подводящие к руде, являются каналами и накопителями для выщелачивающих растворов, вводимых в руду. Руда может быть предварительно раздроблена взрывом для увеличения ее проницаемости и площади поверхности для выщелачивания, и растворы могут инжектироваться или распыляться в раздробленном материале под землей. Раствор, профильтровавшийся до нижнего горизонта месторождения, выкачивается на поверхность для извлечения металла, а затем регенерируется и возвращается в процесс.
Обычно производство большинства металлов включает в качестве начальной стадии концентрирование, или экстракцию, металлсодержащего минерала из руды. Эти минеральные концентраты, в которых часто содержание металла на порядок больше, чем в исходной руде, перевозятся затем на большие расстояния для пирометаллургической или гидрометаллургической переработки в чистый металл. Концентраты редко перерабатываются в металл прямо на месте добычи, так как это сопряжено с большими капитальными и текущими затратами. Однако, если бы это было возможно, это дало бы очень большие выгоды.
Образуемые бактериями растворители использовали в лабораторных условиях, и было показано, что они применимы для быстрой переработки таких сульфидных руд, для которых непосредственное выщелачивание нежелательно. Поверхностная обработка сульфидных минералов бактериальными растворителями влияет на химические свойства их поверхности, что меняет их поведение в таких процессах, как флотация. Эта технология может улучшить очистку угля от пирита при флотации угля и рассматривается как альтернативный способ полного выщелачивания пирита в угле [451].
Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы.
В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий — более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20 °С, для мезофилов — от 20 до 40 °С и термофилов — свыше 40 °С. Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.
Состав фракций растительных отходов зависит от возраста растения, его типа и среды. Свежее зеленое сырье содержит много водорастворимых веществ, белков и солей. При увеличении возраста соли возвращаются в почву, и низкомолекулярные соединения превращаются в более высокомолекулярные, особенно в гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Состав отходов животноводства зависит от типа животного и от его корма.
Когда органические отходы складывают для компостирования, то благодаря изолирующему влиянию субстрата сохраняется теплота, образующаяся вследствие биологической активности, и температура повышается. Процесс компостирования удобно разделить на четыре стадии: мезофильная (/), термофильная (II), остывание (III), созревание (IV) (рис. 8.2).
Разложение органических отходов в процессе компостирования представляет собой динамический и сложный экологический процесс, в котором постоянно происходит изменение температуры и состава питательных веществ. В течение процесса заметным образом меняется численность и видовой состав микроорганизмов. Скорость получения конечного продукта зависит от нескольких взаимосвязанных параметров. К ним относятся источники питания, дисперсность частиц, влажность, прочность структуры, аэрация, перемешивание, pH и размер кучи. Желательно, чтобы оптимальные условия эксплуатации совпадали с требованиями экономичности процесса. Сложность оборудования и качество конечного продукта будет зависеть от природы перерабатываемого органического отхода и доступного уровня капиталовложений.
Задача состоит в том, чтобы реализовать набор этих параметров в виде недорогих, но надежных систем для компостирования. Сложность оборудования и степень приближения к рекомендуемым значениям основных параметров сильно меняется от простых куч до сложных механических установок.
Де Бертольди с сотр. [460] проводили компостирование смеси сырого активного ила с органической фракцией твердых городских отбросов в трех кучах по 2 т каждая, которые были идентичны во всем, за исключением используемых в них систем аэрации. Отношение твердых отбросов к илу составляло 60:40 (по массе) соответственно. Исходная влажность 67%. Первая куча подвергалась переворачиванию дважды в неделю. Аэрация второй кучи осуществлялась с помощью вакуумной системы, которая каждые 13 мин всасывала воздух на протяжении 40 с. Третья куча аэрировалась воздуходувкой с обратной связью по температуре. Воздуходувка работала по 40 с каждые 13 мин при температуре ниже 55 °С и непрерывно при температуре выше 55 °С. Наибольшая скорость компостирования была достигнута в третьем случае, при этом образовывался продукт лучшего качества, с более низкой влажностью и лучше гумифицированный и стабилизированный.
Стадия биодеградации осуществляется с помощью компостных рядов или более сложных механизированных систем. Полностью механизированные системы отличаются от компостных рядов с непрерывно перемешивающими устройствами и представляют собой закрытые силосы, в которых за несколько дней осуществляется активная биодеградация.
Простые системы компостирования в ямах, используемые в тропиках для компостирования смеси отходов растениеводства, навоза, сорняков, древесной золы и нечистот, будут скорее всего давать выход 40 % по влажной массе. Весьма вероятно, что в этих процессах при переворачивании компоста может понадобиться добавление воды. Установки по переработке твердых городских отбросов в Европе дают, как правило, 40 т целевого продукта на 100 т загруженных отходов (по влажной массе), но при этом некоторые органические субстраты добавляются в виде сырого активного ила на стадии биодеградации. Твердые городские отбросы при компостировании их в полупустынном и тропическом климате дают более высокий выход — 50 % по влажной массе. При обычном компостировании садовых и домашних отходов выход 40—50 %.
Состав компоста варьирует в широких пределах и в основном отражает состав использованного органического сырья.Компост, сырьем для которого послужили городские отходы, содержит меньше органических веществ и основных питательных веществ для растений, чем компост, полученный из сельскохозяйственных отходов. Компост из городских отходов содержит также существенные количества микроэлементов. Ряд полевых испытаний показал, что эти металлы накапливаются в растениях, выросших на почве, удобренной таким компостом. Уровень тяжелых металлов в компосте следует контролировать, чтобы предупредить накопление токсичных веществ в почве.
Все в большей степени осознается значение повторного использования органических отходов. Внесение сырых органических отходов в любую экосистему может создать серьезные проблемы либо из-за их высокой потребности в кислороде, либо из-за образующихся промежуточных соединений, либо из-за выделения аммиака. Компостирование позволяет получать с помощью биологического окисления стабильные продукты. Гумифицированные продукты при внесении их в экосистему не вызывают больших нарушений экологического равновесия в отличие от сырых отходов. Смешение низкоактивных отходов типа соломы с отходами жизнедеятельности животных и человека позволяет решать проблему гигиенического удаления последних. При компостировании достигаются температуры, при которых погибают патогенные микроорганизмы, сорняки и их семена.
Патогенные микроорганизмы вызывают инфекционные заболевания животных и человека. Они могут относиться к любой из групп микроорганизмов: бактериям, актиномицетам, грибам, вирусам и простейшим. Патогенными организмами могут также являться различные гельминты. Большинство патогенных организмов мезофильно, они предпочитают температуры ниже 40 °С, так как адаптированы к температуре тела человека и животных. Большинство из них погибает, если находится достаточно длительное время при более высоких температурах (табл. 8.2). Однако существуют патогенные бактерии, образующие высокоустойчивые эндоспоры, которые выдерживают большое нагревание и высушивание, а затем пролиферируют, когда условия окружающей среды становятся подходящими для этого.
Хотя выше было показано, что в процессе компостирования могут быть утилизированы значительные количества соломы, частично в смеси с навозом, образующимся при интенсивном животноводстве, все же в Великобритании, как и в других странах мира, образуется большой избыток соломы хлебных злаков.
Хотя было известно, что биодеградация растительных отходов может препятствовать развитию растений [497; 498], Харпер и Линч [499] высказали предположение о том, что существует определенная взаимосвязь между прорастанием зерен и деятельностью микроорганизмов. Эти исследователи провели детальный анализ условий, используемых для изучения взаимодействия непатогенных микроорганизмов с семенами и ростками ячменя. Ячменные зерна проращивались в присутствии микроорганизмов или их метаболитов в условиях, которые были наилучшими для роста ячменя. Частично их исследование заключалось в использовании в качестве добавки раствора продуктов биодеградации соломы, содержащих 15 ммоль уксусной, 4 ммоль пропионовой и 1 ммоль масляной кислоты [493]. Прорастание, рост корней и побегов ячменя ингибировались этим раствором.
Хариер и Линч [505] впоследствии использовали опыты с соломой в сетках для того, чтобы проследить за ее биодеградацией в полевых условиях. Исследуя биодеградацию овсяной соломы в течение года, они обнаружили, что все образцы наиболее быстро теряли массу осенью, а зимой скорость биодеградации резко снижалась. Весной скорость уменьшения массы вновь значительно возрастала, а летом опять снижалась. Закопанные или находившиеся в борозде образцы теряли до 80 % общей массы, в то время как уменьшение массы образцов на поверхности земли составляло только 60 %. Это уменьшение массы связано в первую очередь с биодеградацией целлюлозы и гемицеллюлозы. Способность закопанной соломы образовывать уксусную кислоту устойчиво снижалась во время процесса биодеградации соответственно уменьшению сухой массы и содержания целлюлозы и гемицеллюлозы. Обнаружено, что после того как около 50 % этих соединений разрушается в закопанной соломе примерно за 50 сут, дальнейшее накопление фитотоксинов прекращается. Однако некоторые образцы сохраняли свою способность продуцировать фитотоксины, хотя и в гораздо меньшей степени, вплоть до весны.
Автор, исходя из этих предложений, исследовал влияние внесения целлюлолитических грибов в почву на биодеградацию соломы. Было сформировано шесть различных смешанных культур, содержащих грибы родов Trichoderma, Pénicillium, Chaeto-mium. Их добавляли к нарезанной ячменной соломе в общей концентрации 106 спор/г соломы. Линч и Харпер [511] показали ранее, что использование азотфиксирующие микроорганизмов совместно с целлюлолитическими грибами увеличивает скорость биодеградации соломы. Это происходит благодаря тому, что избыточная потребность в азоте в процессе биодеградации соломы целлюлолитическими микроорганизмами может быть восполнена азотфиксирующими микроорганизмами. Поэтому было решено включить такие микроорганизмы в состав пяти из шести грибных культур. 15 г соломы смешали с нестерильными образцами почвы трех различных типов, различающихся по скорости процесса включения в них соломы (влажность 20%), в отношении солом-ы к почве 0,15 : 1, запечатали в пластиковые пакеты и положили в закрытые пластмассовые контейнеры для того, чтобы воспрепятствовать проникновению дневного света. Эти контейнеры были оставлены в нетронутом состоянии при температуре окружающей среды с сентября по апрель.
Как известно, многие молочнокислые бактерии «прилипают» к эпителиальным поверхностям, выстилающим желудочно-кишечный тракт животных. Специальные исследования показали, что эта «приверженность» оказывается не только тканеселективной по различным отделам пищеварительного тракта, но в некоторых случаях также видоспецифичной [519, 520].
Другие молочнокислые бактерии также продуцируют антимикробные внеклеточные метаболиты, например Streptococcus faecium [528] и S. diacetylactis [529], проявляющие активность против многих кишечных патогенных микроорганизмов, таких как Е. coli и Salmonella spp. Последующее выделение, характеристика и очистка некоторых из этих ингибиторных белков [530] подтвердили специфичность этих метаболитов.
Изучая прикрепление молочнокислых бактерий к желудочному эпителию свиней, Барроу с сотр. [532] нашел, что один штамм L. fermentum с хорошей адгезией уменьшает количество Е. coli в желудке и двенадцатиперстной кишке. Однако действие его по предотвращению поноса было умеренным, возможно из-за небольшого числа вводимых лактобацилл (более 106 клеток). Можно предполагать, что эффективной лечебной дозой будет 108—109 клеток в день.
В подобных опытах Крауфорд обнаружил, что скот, получавший после перевозки добавки Lactobacillus, показал статистически значимое улучшение привесов и усвояемости пищи по сравнению с контрольным.
Молочнокислые бактерии, широко распространенные в природе, становятся важным компонентом кишечной микрофлоры молодых теплокровных животных вскоре после их появления на свет. Уместно предположить, что лечение пробиотиками может быть чрезвычайно полезным для животных в стрессовых ситуациях, как альтернатива профилактике стресса низкими дозами антибиотиков.
Азотные удобрения стали оченьдорогими из-за сокращения добычи ископаемого топлива, кроме того, в последнее время повышается общественно-политическая озабоченность возможностью химических загрязнений. Следовательно, внимание сейчас концентрируется на азотфиксации как альтернативе азотным удобрениям. Важность азотфиксации для сельского хозяйства привела к интенсивным исследованиям бактерий, способных вступать в симбиотические отношения с бобовыми растениями. Одними из таких бактерий являются бактерии рода Rhizobium, которые были выделены из корневых клубеньков различных видов бобовых, таких как горох, люпин, клевер, соя, люцерна.
Более поздними исследованиями было обнаружено, что все виды Rhizobium, изолированные из клубеньков, очень напоминают друг друга, но обладают значительной специфичностью по отношению к хозяину. Например, бактерии, выделенные из люпина, не могут вызывать образование клубеньков у гороха, и наоборот. Однако виды Rhizobium, выделенные из гороха, будут формировать симбиотические отношения с чечевицей, кормовыми бобами и другими членами этой группы бобовых. Поэтому стало возможным классифицировать эти бактерии по «кросс-инокулирующим» группам в соответствии с их инфицирующей активностью. Бактерии, способные вызывать образование клубеньков у растений одной из этих групп, считаются одним видом Rhizobium sp.
Виды Rhizobium заражают корни бобовых и вызывают образование клубеньков, внутри которых они развиваются как внутриклеточные симбионты и фиксируют атмосферный азот. Клетки бактерий проникают в корневые волоски бобовых и передвигаются внутрь корня по специальной трубочке, «инфекционной нити». Эта нить, как считают, образуется за счет инвагинации клеточной мембраны, откуда она продолжается до кортекса корня. Здесь ризобактерии заражают клетки и стимулируют их деление для образования молодых клубеньков. Когда-то считалось, что инвазия имеет место только в тетраплоидных клетках, но некоторые данные позволяют думать, что это не единственный случай [551]. Деление происходит также в клетках перед проникновением инфекционной нити. В молодых клубеньках бактерии выглядят преимущественно как палочки, но позднее образуют различные формы, становясь сферическими, ветвистыми или булавообразными; такие формы известны как «бактероиды» [552]. Эти бактероиды собираются в группы и окружаются мембраной хозяина, образуя клубенек. Когда клубеньки образованы большим числом специфических ризо-бактерий, присутствующих в растении-хозяине, происходит деформация корневых волосков с их последующим «ветвлением», или «завиванием» [553].
Уникальной характеристикой активных клубеньков является присутствие красного пигмента, леггемоглобина. Подобно гемоглобину млекопитающих леггемоглобин обладает важным свойством — способностью к связыванию и иммобилизации кислорода. Существенно также, что этот процесс обратим. Значение этого белка, производимого бобовыми и располагающегося в цитоплазме хозяина [558], было понято только после осознания роли кислорода. Ризобактерии — строгие аэробы, они могут расти и размножаться только в присутствии кислорода. Однако энзим, который они вырабатывают, нитрогеназа, инактивируется при высоком содержании кислорода и может фиксировать азот только в бескислородной атмосфере. Похоже, что леггемоглобин осуществляет необходимую регуляцию распределения кислорода внутри клубеньков. Он связывается с молекулярным кислородом, так что нитрогеназа не ингибируется, но связанный кислород может быть доступным в дыхательных центрах в цитоплазме хозяина вблизи бактероидов [559]. Структурная организация клубеньков также способствует быстрому удалению продуктов фиксации азота, накопление которых ингибирует связывание.
Виды рода Rhizobium могут сохраняться некоторое время в почве, но, вероятно, не способны успешно расти, конкурируя с другими видами свободноживущих микроорганизмов. При выращивании пшеницы почва может содержать менее 10 клеток Rhizobium на 1 г. После успешного выращивания бобовой культуры та же почва может содержать 105—107 бактерий на 1 г почвы. В отсутствие азотистых удобрений ризобактерии являются, следовательно, жизненно важным источником азота и уменьшают потребность в дорогих удобрениях. Часто, однако, бобовые культуры плохо развиваются на данном участке почвы, поскольку клубеньковые бактерии, специфические для них, отсутствуют или присутствуют в таком малом количестве, что эффективного образования клубеньков не происходит. По этой причине на британском рынке люцерна обычно предварительно инокулируется. Однако широко распространено мнение, что местные штаммы Rhizobium присутствуют в почве в достаточном количестве для таких бобовых, как клевер, обычно выращиваемый в Великобритании. Это мнение не всегда верно. Например, если бобовые заражены «неправильным» видом Rhizobium, могут формироваться неэффективные клубеньки. Они не содержат леггемоглобина и, следовательно, не фиксируют азот, однако расходуют растительные источники углерода. Так как ризобактерии ничего не дают взамен, растение-хозяин растет плохо, и это, возможно, одна из причин угнетения клевера, часто наблюдаемого в смешанных посевах трав. Плотность эффективных клубеньковых бактерий, обычно присутствующих в почве, крайне изменчива и зависит от многих факторов, включая характер почвы, посевную культуру и любую предварительную сельскохозяйственную обработку. Поэтому когда бобовую культуру вводят либо на площадях, где она ранее не росла, либо на почвах, где в предыдущие годы бобовые росли плохо, для обеспечения удовлетворительного образования клубеньков и фиксации азота была бы желательной инокуляция семян специфическими симбионтами.
Поскольку население мира быстро увеличивается, а сельское хозяйство близко к пику продуктивности, сейчас идет поиск новых культур с высоким содержанием белка. Резкое подорожание сои в последние годы привело к использованию других фуражных культур бобовых, таких как горох и бобы. В Европе можно отметить небольшое, но существенное оживление интереса к люпинам со средним содержанием белка до 35%, особенно к белой разновидности Lupinus albus. Все эти бобовые могут выигрывать от инокуляции специфическим видом Rhiso-biutn.
Аланин + 2 Глицин •—>- Уксусная кислота + 3NH3 + С02.На практике быстрое достижение анаэробных условий в буртах или ямах не всегда гарантировано. Непросто также достичь идеального содержания СВ в скошенной траве из-за погодных условий. Поэтому в течение долгого времени велись поиски химических средств, которые могли бы влиять на консервацию силоса.
По их действию на процесс ферментации силосные добавки делятся на две основные группы: ингибиторы и стимуляторы ферментации [581, 582]. Ингибиторы — это кислотные добавки (серная и муравьиная кислоты) и консерванты (например, формальдегид и параформальдегид). Стимуляторы — это источники углеводов — патока и барда — или разнообразные добавки, такие как молочнокислые бактерии или ферменты.
В качестве добавок к силосу были изучены и другие органические кислоты. Уксусная, пропионовая и акриловая кислоты [587, 591] оказались менее эффективными, чем муравьиная, для подавления ферментации. Кроме того, это слабые кислоты, и для достижения ингибирования ферментации их надо вносить в большом количестве, что означает неоправданные затраты.
Последняя группа промышленных стимуляторов ферментации— это вещества, включающие молочнокислые бактерии и/или ферменты, известные в совокупности как микробные или биологические силосные добавки. Появление таких добавок обязано обилию исследований микробиологических и биохимических процессов, происходящих в ходе ферментации силоса, проведенных за последние несколько лет.
В районах с умеренным климатом, где содержание сахара в фураже может быть низким, потребность молочнокислых бактерий в водорастворимых углеводах силоса может опережать их поступление, и тогда может произойти изменение в схеме ферментации в сторону доминирования гетероферментативных молочнокислых бактерий. Значимость этих естественных схем ферментации иллюстрируется следующими реакциями Lactobacillus spp.
В связи с включением подобных ферментов в биодобавки к силосу важно отметить, что гексозы и пентозы, получающиеся в результате их деятельности, должны соответствовать ферментативным способностям молочнокислых бактерий в силосе. Тогда как С6-сахара используются всеми гомо- и гетерофермен-тативными лактобациллами, пентозы могут быть использованы лишь относительно небольшим числом лактобацилл [606]. Из травяного силоса были изолированы штаммы Lactobacillus plantarum, которые могут утилизировать также и пентозы, и эти штаммы должны использоваться вместе со смесью энзимов, которые продуцируют пентозы (см. выше). Продукция пентоз особенно полезна, так как оба типа утилизирующих пентозы гомо- и гетероферментативных штаммов лактобацилл выделяют уксусную и молочную кислоты без потерь СВ или энергии.
Глюкоза ■—► 2 Этанол + 2С02 + 64,7 кДж.Глюкоза + 602 —► 6С02 + 6Н20 + 710,5 кДж.Потеря сухого вещества и энергии— 100 %.
При выращивании бактерий в ферментерах производство педио-кокков и стрептококков гораздо дешевле, чем молочнокислых бактерий. Они не так привередливы в пищевых потребностях, как лактобациллы, растут в ферментерах до большей плотности, лучше выдерживают лиофилизацию и более стабильны при обычных условиях хранения на ферме. Выбор кокков для включения их в продукт должен диктоваться их способностью быстро размножаться в ограниченно аэробных и анаэробных условиях и достигать pH ниже 5,0 быстро, так чтобы клостри-дии и другие портящие силос микроорганизмы не смогли размножаться.
Долговременный мониторинг эффективности некоторых биологических добавок к силосу «в поле», проведенный компанией, в которой работает автор, отражен в табл. 9.2, где даны средние результаты примерно 400 анализов силоса (преимущественно травяного) за трехлетний период. Они показывают, что биологические силосные добавки могут быть существенной помощью при ферментации, особенно в условиях низкого содержания СВ. Оба показателя — и pH, и содержание аммонийного азота — отражают категорию «очень хорошей» ферментации, при этом необходимо отметить, что эти анализы обладают «негативным» отклонением, поскольку фермеры имеют обыкновение использовать добавки только тогда, когда ожидаются плохие условия ферментации (например, низкое содержание СВ). Учитывая это, полученные результаты особенно обнадежи-вающи.
Пестициды используются для уничтожения насекомых, сорняков и болезнетворных микробов, из-за которых уменьшается урожай возделываемых культур. Сорняки уменьшают отдачу от затрат на землю, семена, удобрения, оборудование и время, а насекомые и болезни иногда могут полностью свести ее к нулю. Значительного числа этих проблем можно избежать или справиться с ними с помощью синтезированных химических веществ. Вряд ли можно сомневаться в том, что современное развитое сельскохозяйственное производство немало выиграло от применения химических средств. Однако химические пестициды не обеспечили полную защиту сельскохозяйственных культур. Большое число насекомых благодаря особому поведению или специфическому местообитанию остались неконтролируемыми и продолжают вредить посевам ценных культур. Многие болезни и сорняки также продолжают беспрепятственно развиваться. Вдобавок вредители начинают ускользать от химического контроля, вырабатывая устойчивость (резистентность) главным образом к определенным инсектицидам и фунгицидам; есть сообщения о том, что приобретение устойчивости к определенному химическому веществу приводит к возрастанию устойчивости к другим химическим веществам, усложняя проблему еще больше (табл. 9.3).
Применение биологических агентов для уничтожения вредителей известно издавна. Китайцы использовали фараоновых муравьев для уничтожения вредителей в зернохранилищах; насекомоядные птицы были завезены в 1762 г. на о. Маврикий для уничтожения красной саранчи; собаки и многие другие животные уничтожают насекомых и грызунов. Домашние кошки, видимо, были первым биологическим средством борьбы с вредителями и играли такую значительную роль в сдерживании численности крыс, что, можно полагать, их истребление в средние века и привело к распространению бубонной чумы в Европе. Однако их влияние на другие организмы было непредсказуемым и в те дни. В 1815 г. кошки, завезенные на о-ва Вознесения для уничтожения крыс, почти истребили морских птиц.
Штаммы Bt используются для борьбы с вредителями — гусеницами, комарами и мошкой. Второй промышленный вид — Bacillus popilliae — используется для борьбы с японским хрущиком. Третий, Bacillus sphaericus, считается многообещающим в смысле высокой патогенности для борьбы с комарами, но еще не является коммерческой продукцией.
Известно более 400 видов грибов, заражающих насекомых и клещей. Представители их есть во всех группах грибов, но больше всего полезных для человека видов среди дейтеромицетов и фикомицетов [639].Грибы обычно заражают своих хозяев путем прямой инвазии и, следовательно, способны, в отличие от бактерий и вирусов, вредить насекомым, не будучи ими съедены. Вдобавок основной признак грибов — их способность спорулировать в мертвом теле хозяина. Таким образом, они могут распространяться в популяциях, вызывая эпизоотии. Они не только губят тех особей, на которых поселяются, но и контролируют численность всей популяции хозяина в течение длительного периода. В некоторых случаях своевременное применение достаточного числа грибных спор на ранних стадиях может эффективно контролировать численность вредителей в течение роста сельскохозяйственной культуры.
Генная инженерия грибов прогрессировала не так быстро, как бактерий и вирусов. Тем не менее последние исследования позволяют ученым использовать генную инженерию для лучшего понимания отношений между генетикой, биохимией и физиологией грибов. Это, в свою очередь, приведет к созданию лучших продуктов и большему интересу к этой многосторонней группе организмов.
Попадание ксенобиотиков в окружающую среду — вследствие ли сваливания отходов или непосредственно в результате применения гербицидов или пестицидов — привело к широко распространенному загрязнению окружающей среды. Токсичность ряда таких соединений первоначально осталась незамеченной, в основном, из-за убеждения, что природные сообщества микроорганизмов способны усваивать все органические соединения. Это нашло отражение в утверждении Гейла о «микробиологической надежности» [645], который предполагал, что из-за повсеместного присутствия микроорганизмов в окружающей среде и их большого катаболического потенциала любое соединение, попавшее в биосферу, будет полностью минерализовано.
Огромные возможности природных сообществ в отношении деградации новых соединений стали известны с первых исследований по оиодеградации. «уже в этих исследованиях было обнаружено, что при повторном попадании нового соединения в окружающую среду, индукционный период, предшествующий деградации, уменьшается по сравнению с индукционным периодом при первом попадании [655, 656]. В течение времени, предшествующего деградации, популяция микроорганизмов адаптируется или селектируется на способность деградировать соединение. Это приводит к распространению популяции, которая может затем сохраняться по меньшей мере три месяца после истощения субстрата [657]. Таким образом, к моменту поступления следующих порций этого соединения микроорганизмы, способные к его деградации, уже присутствуют в популяции, следовательно, деградация начинается много раньше.
С тех пор как были опубликованы доказательства трансмисси-бельности устойчивости к лекарственным препаратам среди энтеробактерий, стала очевидной важность экстрахромосомальных генетических элементов, или плазмид, в переносе генетической информации от одного организма к другому [666].
Пластичность катаболических плазмид обеспечивает механизм, с помощью которого обмен генетическим материалом может привести к «созданию» организма, способного к эффективной утилизации нового субстрата в фазе обогащения, как это описано для организмов, использующих галогензамещенные жирные кислоты. В этих исследованиях шесть изолированных форм, способных расти на хлоруксусной или пропионовой кислоте, обладали одной из плазмид серии от 150 до 290 тыс. п. н. Потеря плазмиды тремя из этих штаммов сопровождалась потерей способности к дегалогенированию, а также к росту на этом субстрате [667]. На этом основании рассматриваются две возможности, которые могли возникнуть в процессе обмена генетическим материалом между двумя организмами в исходной обогащенной культуре. С одной стороны, могло произойти накопление дегалогеназных структурных генов в исходной плазмиде, которая претерпевает дальнейшую структурную реорганизацию, перемещаясь от штамма к штамму. И наоборот, возможно также, что эти гены оказались связаны с пятью различными плазмидами. В других исследованиях дегалогеназных систем высказывалось предположение, что дегалогеназные структурные гены кодируются транспозонами [687, 688].
Как уже описано, предпосылкой деградации ксенобиотиков в природной среде является присутствие в ней структурно родственных соединений. Природные механизмы сначала могут быть не эффективными в трансформации ксенобиотиков вследствие кинетических ограничений, вызванных субстратной специфичностью ферментов. Со временем это может быть преодолено за счет сверхпродукции этого фермента (ферментов), благодаря снятию или изменению регуляторного контроля его синтеза, генной дупликации, приводящей к дозовому эффекту, или мутационной изменчивости, создающей фермент с измененной субстратной специфичностью. Дальнейшая адаптация может произойти благодаря адаптивной пластичности микроорганизмов с помощью генетической перестройки.
Генетическая селекция in vivo может обеспечить способность организма к разложению специфического вещества. Однако подобные методики нуждаются в длительном периоде селекции (8—10 мес, как описано выше) и основываются на случайном наборе генетического материала для получения желаемой ката-болической системы. Использование методов рекомбинантной ДНК дает экспериментатору возможность соединять вместе определенные катаболические последовательности и контролировать экспрессию специфических генов. Уровень экспрессии, определяемый in vivo, зависит от регуляторных механизмов, кодируемых плазмидными последовательностями, и мало что можно сделать, чтобы повлиять на выход отдельных ферментов. Однако можно получить повышенный уровень генного продукта, клонируя определенные гены в векторах по направлению транскрипции промоторных последовательностей.
Процесс очистки может осуществляться с помощью обычных очистных сооружений (аэротенк, капельный биофильтр), искусственно иммобилизованной биомассы (см. главу 5) или даже с помощью иммобилизованных ферментов. Действительно, ряд фирм продает или разрабатывает микробные смеси для специального применения, например для очистки стоков, загрязненных высшими углеводородами, или стоков нефтехимического производства. Эти культуры также способствуют развитию преимущественно флокулообразующих, а не нитчатых бактерий в активном иле [712]. Путь, который следует пройти, прежде чем будет возможно полностью управлять биомассой с помощью биотехнологических и генноинженерных методов, очень длинен. Быть может, этот идеал вообще недостижим. Колебания в количестве и типе загрязнений будут препятствовать использованию «искусственной» биомассы, до тех пор пока рекомбинантные штаммы не смогут сосуществовать с высокоприспособленной экосистемой в очистных сооружениях.