Перспективные биотехнологии

В.Е.Горяев

 

Фундаментальными исследованиями второй половины 20 века в области биохимии, биофизики и молекулярной биологии созданы предпосылки развития одной из передовых отраслей науки-биотехнологии. Научный задел в этой области позволяет уже сегодня создавать биотехнические системы производства кормовой и удобрительной биомассы микроорганизмов, осуществлять биологическую очистку воды и атмосферного воздуха, получать ценные органические и биологически активные вещества. Наряду с этим созданы также научные предпосылки биологического селективного извлечения редкоземельных элементов из продуктов разрушения и выщелачивания горных пород.

Большой научный и практический интерес для производства кормовой и удобрительной биомассы представляют протококковые одноклеточные водоросли, которые в настоящее время достаточно хорошо изучены и находят применение в микробиологии, сельскохозяйственном производстве и биотехнологии лекарственных средств. Наибольшее распространение в использовании получили микроводоросли хлореллы и сценедесмуса. Удобрительные и питательные свойства фототрофных микроводорослей хлореллы, сценедесмуса обусловлены высоким содержанием в них белков жиров витаминов и микроэлементов . Урожайность биомассы микроводорослей чрезвычайно велика. Например, биомасса хлореллы увеличивается в 3000 раз за 2-3 дня.

В условиях дефицита солнечной радиации Сибири и северных районов возрастают энергозатраты на искусственный биосинтез таких культур, как кормовые микроводоросли, дрожжи и гидропонный корм. Например, при выращивании кормовых микроводорослей в зимний период затраты на искусственное освещение и нагрев биосистем достигают 80 % от общего объема энергозатрат. Довольно высока также стоимость питательных сред, используемых в этих условиях для технологических процессов выращивания биомассы. К ним относится ряд химических соединений для выращивания микроводорослей и гидропонного корма, мелассы и других сахаров для производства дрожжей.

Для решения проблемы производства кормовой биомассы в этих условиях нами выявлена возможность создания биотехнологических систем, позволяющих осуществлять процесс фотосинтеза автотрофных микроводорослей и растительной биомассы гидропонного корма в абсолютной темноте с использованием в качестве питательного субстрата продуктов распада и теплоты некормовой бросовой растительности, органических отходов и растворов выщелоченных горных пород. Полученные результаты могут быть положены в основу разработки высокоэффективных биотехнических комплексов, удовлетворяющих потребностям горнодобывающего и сельскохозяйственного производств.

Создание безотходных экологически чистых производств с взаимодополняемыми технологиями и полной завершенностью является важнейшей народнохозяйственной проблемой. Широкомасштабное освоение топливно-энергетических комплексов сдерживается негативными факторами эксплуатации ТЭС, связанными с загрязнением окружающей среды дымовыми выбросами. Наряду с этим, наши разработки свидетельствуют о том, что каменный уголь и продукты его сгорания могут быть использованы в качестве основных компонентов в питательных средах для выращивания кормовых фототрофных микроводорослей.

В связи с этим нами предложен метод биологической утилизации отходов ТЭС и биотехнические системы для его осуществления. Сущность метода заключается в том, что дымовые газы растворяют в потоке воды и полученный водный раствор используют с балансирующими минеральными добавками (удобрениями) в качестве питательной среды для выращивания кормовой и удобрительной биомассы одноклеточных микроводорослей.

Предпосылкой к разработке этого метода являются научные изыскания лаборатории водных культур отдела микробиологии АН УзССР, в которых доказана возможность выращивания биомассы хлореллы с использованием продуктов сгорания природного газа. Наши опыты свидетельствуют о возможности выращивания микроводорослей не

только на продуктах сгорания газа, но и с использованием в питательных средах измельченного каменного угля а также газообразных продуктов его сжигания.

Многолетний опыт использования биомассы микроводорослей в качестве кормовой биостимулирующей добавки свидетельствует о повышении продуктивности животных до 20 % за счет эффективной усвояемости и сбалансированности кормов.

Предлагаемый способ утилизации топочных газов и их использование в питательном субстрате микроводорослей позволит достичь годовой экономический эффект в животноводческой отрасли пригородных хозяйств в размере 300 рублей на одну голову крупного рогатого скота.

Расчетный экономический эффект от применения микроводорослей в качестве удобрительной биомассы при выращивании овощей в пригородных хозяйствах составляет по данным лабораторных опытов около 3000 рублей на 1 га. орошаемого участка.

Реализация кормовой и удобрительной биомассы в сельскохозяйственном производстве позволит полностью окупить за 1-2 года капитальные затраты на сооружение биотехнической системы ТЭС. Так, например, современная Барнаульская ТЭС-3, оборудованная котлами 420-140-560 ПТ-2 с расходом угля около 70 тонн /час, может быть оснащена биотехнической системой утилизации топочных газов, которая по минимальному параметру обеспеченности (тепловой режим) позволит ежесуточно обеспечить выход 24 тонн сухой биомассы микроводорослей. Это количество биомассы позволяет балансировать корма для 24000 голов крупного рогатого скота или может быть использовано на воспроизводство плодородия около 9000 га земель.

Основные параметры теплообменных систем определены с помощью предварительных экспериментов, выполненных на модельной установке, состоящей из топочного устройства и газохода, оснащенного тепломассообменником. Утилизацию теплоты и абсорбцию топочных газов осуществляли диспергированным струйным потоком воды, направленным в противоток отходящим газам.

Подогретая вода с растворенными топочными газами и традиционными химическими средами использовалась для выращивания микроводорослей хлореллы. При этом урожайность биомассы возрастала на 30-40 % по сравнению с использованием чистой водопроводной воды

Представляет большой практический интерес использование биотехнологии в горно-рудной промышленности. Открытая добыча руд черных и цветных металлов сопровождается выносом в отвалы фитотоксичных горных пород, затрудняющих формирование плодородного корнеобитаемого слоя при рекультивации земель. Применение покрывающих плодородных грунтов (землевание) сопровождается высокими затратами, при этом потенциальное плодородие пород, слагающих тело отвалов, зачастую не учитывается. Нарушение естественного гидротермического режима почвогрунта, выразившегося в резком падении уровня грунтовых вод и отсутствии сопряженной растительности чрезвычайно затрудняет приживаемость культурных растений на вновь сформированных грунтах отвалов и хвостохранилищ.

При разработке и внедрении новых методов рекультивации земель предусматривается осуществлять биологическую мелиорацию поверхностного слоя формируемой почвы удобрительной биомассой фототрофных микроводорослей, выращиваемых на субстратах из выщелоченных горных пород отвалов и хвостохранилищ.

Для повышения и воспроизводства плодородия почв и рекультивации нарушенных земель нами предложен и предварительно изучен метод биологической мелиорации, заключающийся в орошении почв удобрительной суспензией почвенных микроорганизмов в виде микроводорослей и азотобактера, культивируемых совместно. Исследованиями выявлен высокий эффект мутуализма при совместном культивировании и применении удобрительной биомассы микроводорослей хлореллы и азотобактера, выражающийся в том, что присутствие азотобактера позволяет повысить интенсивность прироста клеток хлореллы при культивировании в 1,5 раза.

Внесение в почву хлореллы и азотобактера позволяет повысить общее количество микроорганизмов в обедненной почве в 3 раза. При этом прирост биомассы культивируемых растений в результате биологической мелиорации увеличивается на 17…60 %, что подтверждено лабораторными и полевыми опытами.

Гидроимпульсная обработка оросительной суспензии, предусматривающая разрушение клеток микроорганизмов, в соответствии с опытами позволяет повысить эффективность питательного режима почв на 15 % по сравнению с орошением необработанной суспензией микроорганизмов.

Исследованиями выявлено, что в качестве питательных сред для выращивания удобрительной биомассы микроорганизмов могут быть использованы традиционные удобрения, стоки животноводческих комплексов, измельченные растительные отходы и отходы измельченных пород горно-рудных предприятий.

Одним из важных перспективных направлений прикладной биотехнологии является создание биотехнических систем извлечения ряда ценных рудных металлов (Ag, Au, Pt, Ni, Mn, и др.) из флотохвостов горно-обогатительных комплексов и высокоминерализованных подземных и сточных вод. При этом литотрофные и гетеротрофные бактерии наряду с функцией образования коллоидных и ионных форм редкоземельных элементов (транспортная функция) способствуют их аккумуляции до концентраций, приемлемых для технологий их дальнейшего промышленного выделения.

Фундаментальные исследования, выполненные в последние десятилетия в области геомикробиологии, являются основой дальнейших изысканий и разработок биотехнических систем, позволяющих на принципиально новой основе решать практические задачи добычи редкоземельных элементов путем утилизации отходов горно-обогатитель-ных производств.

Для решение этой важной народно-хозяйственной задачи необходима интеграция академической, отраслевой и вузовской науки.