Экобиотехнология: микробы-разрушители
Наука экобиотехнология сформировалась в 80-е годы прошлого века, она также носит название биотехнология окружающей среды, или природоохранная биотехнология.
Все биотехнологические процессы базируются на микробиологических процессах, и главное действующее «лицо» и инструмент, который обеспечивает прохождение тех или иных реакций, — это микроорганизмы.
Благодаря древним микроорганизмам произошли первые фотосинтезирующие микроорганизмы, затем высшие растения, которые обеспечили образование кислородной атмосферы на Земле. Постепенно стабилизировались современные глобальные циклы азота, кислорода, углерода и серы.
Самая важная роль микроорганизмов — это деструкция сложных органических соединений, обеспечивающая круговорот веществ в природе. Все то, что производится на Земле живыми существами — растениями, животными и человеком, — в конечном итоге разлагается микроорганизмами в окислительных или восстановительных процессах до простых веществ: воды, углекислоты, молекулярного азота, метана, солей разных элементов. Из трудноразлагаемых веществ формируется гумус, необходимый для формирования и поддержания почв.
Цель природоохранной биотехнологии и микробиологии — обезвредить последствия негативного влияния на окружающую среду и обеспечить человечеству хорошие условия жизни в экологически чистых местах обитания. Наиболее эффективные методы экобиотехнологии, по сути, представляют интенсификацию природных процессов.
В связи с развитием городов и промышленных предприятий антропогенный фактор в загрязнении биосферы Земли приобретает все большее значение.
О каких загрязнениях может идти речь и чем может помочь экобиотехнология? В первую очередь это загрязнения, которые называются биодеградабельными, то есть разлагаемыми в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Почти на любое вещество, даже не свойственное природе (ксенобиотик), находится микроорганизм или группа микроорганизмов, которые разлагают его до простых соединений. Пример — микробное разложение пестицидов и гербицидов.
Загрязнение тяжелыми металлами представляет собой колоссальную проблему. Но существуют микроорганизмы, которые помогают получать металлы из того, что уже отработано и выброшено. Таким образом, можно дополнительно производить металлы из отвалов руд и, что очень важно, при этом очищать окружающую среду.
Важной проблемой является биотехнология очистки сточных вод. Сделать из загрязненной воды чистую можно только с помощью микроорганизмов в условиях активной аэрации (активного снабжения воздухом). Микроорганизмы, которые используют кислород для окисления тех или иных органических соединений, могут использовать их в очень низких концентрациях, окисляя их до воды и диоксида углерода (углекислоты). При этом происходит глубокая очистка сточной воды, которая подходит для сброса в водоемы. Даже очень качественно очищенная сточная вода для питья непригодна. Попадая в реки, озера, она разбавляется и продолжает очищаться в естественных условиях, фильтруясь через грунты.
Есть микроорганизмы, которые живут без доступа кислорода — кислород для них даже вреден, — это анаэробные микроорганизмы, самые древние обитатели нашей планеты. Они могут разлагать органические соединения и при этом производить метан и водород, которые являются важными альтернативными источниками энергии.
Объединив усилия аэробных и анаэробных организмов, можно снизить стоимость очистки сточных вод и обработку отходов, получив метан. Подобные технологии уже применяются в Москве на Курьяновской станции. Биогаз, который получают в метантенках, используют для производства энергии. А в Хельсинки на городских очистных сооружениях порядка 50% энергетических затрат покрывается за счет использования биогенного метана, полученного на станции.
Важно также разработать эффективные методы для рекультивации и использования загрязненных территорий, например, тех, которые заняты свалками. Микроорганизмы являются источниками различных ферментов, антибиотиков и других биологически активных веществ, которые могут использоваться в том числе и в биотехнологических процессах.
Автор: Алла Ножевникова, доктор биологических наук, Институт Микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН