Биотехнологии - файл n1.doc

приобрести
Биотехнологии
скачать (100 kb.)
Доступные файлы (1):

100kb.

08.07.2012 20:32

n1.doc

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Экология»
на тему: «Биотехнологии»
Мурманск

2011
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………….3
1. Понятие биотехнологии …………………………………………………………4
2. Биотехнология как наука…………………………………………………………6

2.1. Основные разделы биотехнологии…………………………………………….7
3. Экологические биотехнологии …………………………………………………..9
3.1. Утилизация и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов …… ………………………………………………8

3.2. Биологическая рекультивация………………………………………………...11

3.3. Биотехническая очистка почв от нефти и нефтепродуктов………………...12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………. 15

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………..16

ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 60-х годов экологическая ситуация и возрастание экологических требований к ведению хозяйства привели в разных странах к ряду изменений в промышленном производстве, энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных функций. Беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства, не подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось более организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных полигонов и хранилищ. Во многих случаях эта деятельность носила стихийный характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения.

Более прогрессивное направление - очистка выбросов и стоков от загрязнителей - по мере совершенствования соответствующих технологий постепенно переходит к улавливанию отходов уже в виде вторичного сырья, полезных материалов. Циклы реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание органических отходов с получением полезной энергии, переработку мусора в компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий и др.

Одним из важных путей экологизации производства является расширение использования биологических технологий - применения живых организмов и биологических процессов для получения полезных продуктов и очищения окружающей среды.

1. ПОНЯТИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ
Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продукты их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX–XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Человек использует биотехнологии с незапамятных времен. Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин "биотехнология" появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

На биотехнологиях основано все сельское хозяйство. Научно-технический прогресс и связанные с ним изменения в общественном разделении труда серьезно повлияли на земледелие и животноводство. Их растущая механизация, электрификация и химизация не только привели к образованию агропромышленного комплекса, но и сделали сельское хозяйство и обслуживающие его отрасли источником существенного загрязнения природной среды. Агроценозы все больше приобретают черты антиэкологичных техноценозов.¹

Между тем экологизация производства требует, чтобы естественные биологические процессы не подавлялись и не вытеснялись техногенезом, а наоборот, занимали все большее место в разных областях хозяйства, в том числе и в промышленном производстве. Создание сбалансированных природно-технических систем невозможно без производственных циклов, органично вписывающихся в природу. Естественные биологические процессы по сравнению с техногенными не только более экологичны, но и более экономичны. Эволюция природы давно нашла оптимальные варианты в метаболизме живых существ, обеспечив высокую экономичность их функций.

2. БИОТЕХНОЛОГИЯ КАК НАУКА

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект.

В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

2.1. Основные разделы биотехнологии

В биотехнологии как в науке можно выделить 3 основные части:

- Промышленная биотехнология - общие принципы осуществления биотехнологических процессов, основные объекты и сферы применения биотехнологии, крупномасштабные промышленные биотехнологические производства, использующие микроорганизмы.

- Клеточная инженерия - методы ведения культур клеток и практическое использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения

- Генная инженерия - генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками.

Возможности биотехнологий намного шире, чем принято думать. Они огромны по возобновляющимся ресурсам, по резервам природного биологического сырья и организмов-продуцентов, по разнообразию процессов и получаемой продукции. Промышленные биотехнологии вносят существенный вклад в увеличение производства продуктов питания и кормов для животных, в повышение плодородия почвы, в борьбу с вредителями сельского хозяйства. Сочетания биотехнологии с культуральными формами выращивания некоторых растений и животных, синтез ценных биопрепаратов, витаминов и лекарств, производство тканевых биозаменителей, создание иммобилизованных ферментов-суперкатализаторов, применение их в тонкой органической химии и микрометаллургии, борьба с коррозией и остатками синтетических ксенобиотиков, вклад в экологичную энергетику и в очистку промышленных эмиссии - вот далеко не полный перечень возможных применений биотехнологий. Этот диапазон быстро расширяется благодаря научным достижениям в микробиологии, биохимии, генной инженерии.

Биологизация открывает новые возможности для качественного роста промышленного производства и сельского хозяйства.

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ
Все большее развитие получают биотехнологии, непосредственно связанные с защитой окружающей среды.

Экологическая биотехнология - это специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды.

К сфере экологической биотехнологии относятся следующие основные направления:

- биологическая очистка сточных вод;

- биообработка твердых отходов (утилизация ила сточных вод, переработка ТБО, обезвреживание и ликвидация опасных промышленных отходов);

- биологическая очистка воздуха от ароматических веществ;

- биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде;

- биологическая рекультивация почв, загрязненных отходами органической химии и нефтью;

- обеспечение возобновляемыми источниками энергии и сырья на основе органических отходов и биомассы (получение биогаза и других видов вторичного топлива, трансформация органических удобрений и др.);

- создание безопасных и эффективных средств биологической борьбы с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур, альтернативных химическим пестицидам.¹

Благодаря достижениям современных учёных (микробиологов, экологов, биохимиков) биотехнология успешно применяется и справляется с важными экологическими проблемами.

3.1. Утилизация и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов
Одной из острейших проблем современной науки и практики является утилизация и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, которые чужды биосфере и не вписываются в естественный биологический круговорот, что приводит к загрязнению воздуха, воды, почвы и отрицательно сказывается на здоровье человека.

Вермикультура (от латинского vermi - червь) - использование дождевых червей для переработки органических отходов - является одним из перспективных направлений биотехнологии. В настоящее время преобладающей тенденцией является культивирование красного калифорнийского червя - выведенной селекционным путем линии навозного червя, которая отличается значительной плодовитостью, утратой инстинкта покидания своего местообитания при неблагоприятных условиях среды, высокой степенью адаптации к переработке специфических видов отходов. Таковыми могут служить различные субстанции органического происхождения, например навоз и помет сельскохозяйственных животных, отходы мясокомбинатов, рыбоперерабатывающей, целлюлозной промышленности, овощей и фруктов, бумага, картон, опилки, осадки городских и производственных очистных станций. В соответствии с технико-экономическим обоснованием и типовым проектом на одной из животноводческих ферм Одесской области создан биотехнологический комплекс по переработке органических отходов, анализ работы которого показал его высокую технологичность и экологическую значимость. Совместно с Инженерной Академией Украины академиком А.А. Клименко разработан контейнерный биомодуль по производству органических удобрений (биогумуса) и белковых кормовых добавок (биодобавок) для агропромышленного комплекса. Биомодуль представляет собой стандартный 40-футовый теплоизолированный контейнер, который при необходимости может транспортироваться от одного предприятия к другому и устанавливаться на съемной жесткой раме, что не требует подготовки фундамента. Технологический процесс осуществляется работой 5-и самостоятельных блоков: вермикультуры, операторский, обеспечения микроклимата, подготовки готовой продукции (биогумуса и белковых кормовых добавок), электро- и водоснабжения. Технико-экономическое обоснование проекта свидетельствует, что эксплуатация одного биомодуля в течение месяца позволяет обеспечить утилизацию 30 тонн органических отходов, в том числе, илов станций биологической очистки городских стоков, и получить 18 тонн биогумуса и 3 тонны белковых кормовых добавок. Преимущества предлагаемой разработки состоят в экологической чистоте (безотходность производства), высокой эффективности. Анализ мирового опыта вермикомпостирования органических отходов различного происхождения свидетельствует о реальной, технологически обоснованной возможности устранения критической антропогенной нагрузки на окружающую среду наряду с производством экологически чистых органических удобрений и кормового белка.¹
3.2. Биологическая рекультивация
Биологическая рекультивация заключается в искусственном создании растительных покровов различного вида и включает механическую подготовку поверхностного слоя почвы, внесение в нее удобрений, посев многолетних трав. Механическая обработка нарушенных земель заключается в рыхлении поверхностного слоя участка на глубину не менее 0,2 м. Для повышения плодородия обработанного слоя вносят минеральные и органические удобрения. Засеивать участки следует многолетними травами семейства

злаковых. В качестве стимуляторов роста рекомендуется применять сложные удобрения, в состав которых входят азот, фосфор и калий. При биорекультивации используются микроорганизмы, разрушающие нефть и нефтепродукты, а также биокомпосты и нефтесорбенты. В качестве доступного сорбента могут быть использованы отходы рисозаводов. Рисовая шелуха - легко доступный и перспективный сорбент. В связи с этим представляют интерес разнообразные растительные отходы сельского хозяйства, пищевой и деревообрабатывающей промышленности (лом древесноволокнистых плит, опилки, шелуха овса, гречки, куриные перья и др.), поскольку они являются весьма дешевыми, доступными и распространенными сорбентами.
3.3. Биотехническая очистка почв от нефти и нефтепродуктов
Добыча природных ископаемых, нефти сопряжена с разрушением почвенного покрова и загрязнением природных ландшафтов, что связано с использованием большегрузной техники и неизбежным попаданием на землю нефти, нефтепродуктов и сопутствующих вредных веществ. Интенсивное использование нефтепродуктов в промышленности также вызывает экологические проблемы, связанные с загрязнением почвы и воды. Загрязнение почвы и водоемов любыми типами нефтепродуктов является настоящей экологической катастрофой экосистемы: меняются соотношения между отдельными группами микроорганизмов, изменяется направление метаболизма, подавляются жизненно важные процессы дыхания и самоочищения.

Отравленные нефтью почва и вода практически не способны самостоятельно очиститься от нефтяного загрязнения - естественное разложение нефти и нефтепродуктов в обычных условиях происходит крайне медленно т.к. повышенные концентрации углеводородов подавляют всякую самоочищающую активность почвы и воды, в экосистеме накапливаются трудноокисляемые продукты, серьезно препятствующие самоочищению и самовосстановлению.

Восстановление жизненных процессов зависит от способностей почвы и воды перерабатывать органику (к каковой относятся углеводороды нефти) в безвредные для окружающей среды легкоусвояемые продукты метаболизма. Процессы разрушения и разложения нефтяных загрязнителей в природе идут - в основном за счет содержащихся в почве и воде микроорганизмов обладающих способностью извлекать из углеводородов энергию необходимую для строительства новых колоний и их жизнедеятельности. Природа создала мудрую экологичную систему, настроенную на самоочищение, которая, однако, не в состоянии противостоять темпам и масштабам интенсивного техногенного загрязнения - естественные концентрации полезных микроорганизмов в природе не могут быстро переработать масштабные и глубокие загрязнения.

Современные же темпы развития нефтедобычи и нефтепереработки требуют эффективных методов, позволяющих в короткие сроки нейтрализовать последствия воздействия на почву и водоемы нефти, мазута, солярки, дизтоплива, бензина.

Задача многократной активизации и ускорения процессов биологического разрушения углеводородов нефти в воде и почве, блестяще решена разработчиками средства биологической очистки почвы и воды Микрозим (tm) Петро Трит.¹ Внесение в загрязненный нефтью участок почвы или воды специально выделенных из почвы и селекционированных микроорганизмов размноженных в форме готового к использованию биопрепарата, обеспечивает интенсификацию микробиологической активности почвы и воды по разрушению углеводородов нефти в десятки раз, что позволяет в предельно сжатые сроки нейтрализовать нефть как опасный загрязнитель, превратив ее в безвредные для окружающей среды продукты жизнедеятельности бактерий –
____________________________

¹Гутенёв В.В. Промышленная экология. – Ростов-н/Д. 2007. – С.525.
СО2, Н2О, летучие вещества. С уменьшением в почве и воде концентрации нефтяных углеводородов интенсифицируется самоочищение - увеличение численности физиологических групп полезных микроорганизмов, что связано со снижением токсического действия нефти и нефтепродуктов. Как показывают многочисленные исследования по изучению влияния биопрепарата на почвенные процессы, применение микроорганизмов многократно интенсифицирует метаболизм нефтезагрязненных почв, сокращая время полного разложения нефти на безопасные для окружающей среды вещества до нескольких месяцев.

В результате тяжелый и токсичный загрязнитель, которым является нефть, превращается в воду, углекислоту и нетоксичные биоразложимые вещества, не препятствующие дальнейшим процессам самоочистки и почвообразования.

Сам биопрепарат безвреден для человека и окружающей среды, животных, рыб, растений, зоопланктона. Это препарат может применяться также для очистки сточных вод промышленных предприятий, стоков автомоек замкнутого цикла, депарафинизации скважин, обезвреживания нефтесодержащих шламов и осадков. Очищенная препаратом почва пригодна для посадки растений, очищенная вода пригодна для слива в канализацию, рыбохозяйственные водоемы, орошения.

Существует ещё одна технология, успешно применяемая в ряде регионов России. Микробиологическая очистка почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, с помощью биопрепарата "Микромицет" (микрогрибы). Применение технологии обеспечивает экологически безопасную очистку почв до глубины 1,5 м.¹

____________________________

¹Гарин В.М. Экология для технических вузов. – Ростов-н/Д. 2001. – С.402.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Успехи биотехнологии и получение новых форм микроорганизмов позволяют рассчитывать на применение их в целях экологической защиты: для нейтрализации твердых опасных отходов, разрушения ароматических соединений газовых выбросов, для очистки воды и почвы от нефтяного загрязнения, для биодеструкции стойких ксенобиотиков и пластмасс. Последнему, в частности, способствует встречный процесс создания нового поколения пластиков - биоразлагаемых. Он будет использоваться в производстве пленок, бутылей, упаковочных нетканных материалов. Дальнейший прогресс в производстве биодеградабельных пластмасс связан с созданием фундаментальной биотехнологии изготовления полимерных материалов с различными свойствами, основные принципы которой разрабатываются в настоящее время крупнейшими лабораториями и фирмами ряда стран.¹

Следует помнить, что каковы бы ни были усилия и старания человека защитить окружающую среду от собственной грязи с помощью технических средств, они ничтожны по сравнению со средорегулирующей и средоочищающей функцией биосферы. Человек должен не подавлять эти механизмы, а максимально заимствовать их принципы и «технологии» в своей практической деятельности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Акимова, Т.А. Экология (природа - человек- техника): уч. для тех. спец. / Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В. Хаскин. – М.: Экономика, 2007. – 495 с.

2. Акимова, Т.А. Экология (природа- человек- техника): уч. ВУЗов / Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В. Хаскин. – М.: ООО «ИЗДАТЕЛЬСТВО ЮНИТИ-ДАНА» , 2001. – 321с.
3. Акимова, Т.А. Экология (человек, экосистема- биота- среда) / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. – М.: ЮНИТИ, 2007. – 496 с.
4. Гарин, В.М. Экология для технических вузов / В.М. Гарин, И.А. Кленова, В.И. Колесников. – Ростов-н/Д: Феникс, 2001. – 486 с.
5. Гутенёв, В.В. Промышленная экология: Уч. пос. / В.В. Гутенёв, В.В. Денисов, И.А. Денисова. – Ростов-н/Д: Март, 2007. – 719 с.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА