Biotechnologia. Temat 2: Biotechnologia w ochronie środowiska

Temat 2: Biotechnologia w ochronie środowiska. 
Posty dotyczące tematu "Biotechnologia" przybierają formę opracowań i zawierają informacje pochodzące z podręcznika "Biologia na Czasie 1 - poziom podstawowy" dla szkół ponadgimnazjalnych wydawnictwa "Nowa Era"; Wikipedii; Wikibooks (podręcznik do nauki biologii dla liceum); podręczników do biologii wydawnictwa "Operon", podręcznika "Biologia" autorstwa Neil Campbell i Jane Reece. W postach tych starałem się zawrzeć istotę danych zagadnień, jednocześnie posługując się wieloma źródłami wiedzy. Poszczególne zagadnienia zostały wypunktowane w celu ułatwienia nauki. 

Organizmy wykształciły zdolność do uzyskiwania energii z rozkładu substancji organicznej lub nieorganicznej - nawet jeżeli ta substancja jest toksyczna lub niebezpieczna dla ludzi. Właściwość ta wykorzystywana jest w oczyszczaniu ścieków, oczyszczaniu powietrza, przetwarzaniu odpadów komunalnych i produkcji tworzyw biodegradowalnych. 

I. OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW:

Istnieją trzy zasadnicze etapy oczyszczania ścieków:

1. oczyszczanie mechaniczne
2. oczyszczanie biologiczne
3. oczyszczanie chemiczne

Oczyszczanie mechaniczne polega na usunięciu zanieczyszczeń stałych, np. poprzez tzw. skratki. Oczyszczanie biologiczne zaś polega na usuwaniu rozpuszczonych zanieczyszczeń. Następnie postępuje usuwanie biogenów - azotu i fosforu - utlenienie amoniaku do azotynów i azotanów - nitryfikacja, a później redukcja azotanów do azotu - denitryfikacja. 

W oczyszczaniu ścieków wyróżnić możemy dwie metody - pierwszą nazywamy złożem biologicznym. Wówczas np. w oczyszczalni ścieków w specjalnym zbiorniku znajduje się nieruchome złoże, które zawiera żużel, koks, kamienie, itd., zaś na nim osadzony jest materiał biologiczny, którym mogą być bakterie, grzyby, protisty, itd. Złoże to całkowicie zanurzone jest w ściekach lub zraszane ściekami. 

Zamiast nieruchomego złoża biologicznego zastosować można również tzw. metodę osadu czynnego - zawiesinę w której znajdują się organizmy. Rozwój owych organizmów zachodzi w specjalnych komorach napowietrzających, gdzie ścieki są intensywnie natleniane. 

Ścieki są tu najpierw oczyszczane w osadniku wstępnym mechanicznie. Później dopiero kieruje się je do komory osadu czynnego (komora napowietrzania) - odbywa się tam oczyszczanie biologiczne. Bakterie z kłaczków osadu czynnego pochłaniają substancje organiczną ze ścieków i zużywają jej część jako paliwo (źródło energii). Jest to ich substancja budulcowa, prowadzi do zwiększenia biomasy. Nadmiar organizmów usuwany jest w postaci osadu nadmiernego. Na końcu przeprowadzane jest już tylko uzdatnianie wody, tzw. oczyszczanie chemiczne, np. wytrącanie fosforu. 

Do usuwania zanieczyszczeń z wody stosowane są również rośliny. Ich system korzeniowy stanowi środowisko bogate w różne gatunki bakterii, które potrafią rozkładać szkodliwe substancje. By roślina miała zdolność neutralizacji zanieczyszczeń musi mieć dobrze rozwinięty system korzeniowy. Wówczas tlen docierający do głębokich warstw korzeni tworzy tam tlenowe mikrostrefy, otoczone niedotlenionymi mikrostrefami. Pojawiają się tam strefy redukcyjne, co stwarza dogodny rozwój dla heterotroficznych mikroorganizmów, które w procesach biochemicznych przemieniają zanieczyszczenia. Wykorzystywanymi roślinami są np. trzcina pospolita, pałka wodna i wierzba krzewiasta. 

II. Jak zbudowany jest zbiornik ze złożem biologicznym?

Zbiornik ze złożem biologicznym zawiera komorę beztlenową - gdzie następuje usuwanie związków azotu, fosforu, czy siarki, występujących np. w detergentach. Oczyszczanie przeprowadzane jest przez organizmy oddychające beztlenowo. 

Zbiornik zawiera również komorę tlenową - zanieczyszczenia utleniane są tu do tlenku węgla (IV), wody i innych prostych związków. W procesie wykorzystywane są organizmy oddychające tlenowo. 

III. Oczyszczanie powietrza

Do oczyszczania powietrza stosowane są przede wszystkim biofiltry. Biofiltr składa się z warstwy materiału porowatego, który zasiedlany jest przez mikroorganizmy, które posiadają zdolność rozkładu zanieczyszczeń do związków prostych takich jak np. woda i tlenek węgla (IV). 

IV. Biologiczne metody utylizacji odpadów komunalnych

W celu utylizacji odpadów komunalnych stosowane są najczęściej dwa procesy z wykorzystaniem organizmów żywych:

a) Fermentacja metanowa 

b) Kompostowanie 

V. FERMENTACJA METANOWA 

Fermentacja metanowa to mikrobiologiczny proces w którym złożone substancje organiczne są przekształcane w metan i dwutlenek węgla. Proces ten przebiega w warunkach beztlenowych i przeprowadzany jest przez bakterie beztlenowe (anaeroby). Proces przebiega zarówno w ekosystemach naturalnych, jak i tych sztucznie stworzonych przez człowieka. 

Jest to ponadto proces składający się z kilku faz. Wyróżniamy w nim:

1) Hydrolizę - polegającą na rozkładzie cząstek złożonych przy udziale enzymów - polisacharydów, białek i lipidów w ich związki składowe. Węglowodany złożone przekształcone muszą zostać w cukry proste, białka "rozbić" należy na poszczególne aminokwasy, a lipidy na kwasy tłuszczowe. Wszystko po to, by w kolejnym etapie te proste związki posłużyły jako substraty do wytworzenia organicznych kwasów. 

2) Kwasogeneza (lub acidogeneza) - podczas tego etapu tworzone są kwasy organiczne. Zhydrolizowane substancje są bowiem rozkładane do jeszcze prostszych przez beztlenowe bakterie. Produktami tego etapu są kwasy organiczne o bardzo krótkich łańcuchach, np. kwas mrókowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, itd., ale również alkohole, np. metanol i etanol, aldehydy, ketony, wodór, dwutlenek węgla. Dzięki temu część produktów może posłużyć jako źródło energii dla bakterii octanogennych, które pełnią istotną rolę w kolejnym etapie fermentacji metanowej. 

3) Octanogeneza - w tym etapie następuje przemiana kwasów organicznych i alkoholi do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru.

4) Metanogeneza - następuje tu tworzenie metanu z kwasu octowego lub dwutlenku węgla i wodoru. Proces przebiega przy udziale bakterii metanogennych. Równanie reakcji jest następujące:

Dla kwasu octowego: CH3COOH → CH4 + CO2

Źródło: https://slideplayer.pl/slide/841850/ - Schemat przebiegu poszczególnych etapów fermentacji metanowej.

Bakterie fermentacji metanowej: biorą w niej udział bakterie hydrolizujące związki organiczne, np. obligatoryjne Bacillus, Pseudomonas, Clostridium, Bifidobacterium, a także fakultatywne beztlenowce: Streptococcus Enterobacterium. Optymalne warunki procesu to pH ok. 6 i temp. ok 30 stopni. 

VI. Zastosowanie fermentacji metanowej:

Fermentację metanową stosuje się w celu stabilizacji osadów ściekowych. Lepki, uwodniony osad o cuchnącej woni ulega zamianie w osad odwodniony, ziemisty i nieszkodliwy pod względem sanitarnym. 

Powstającym w procesie produktem jest także biogaz - doskonałe źródło energii. 

VII. Biogaz:

Biogaz jest mieszaniną gazów. Składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla. Po sprzężeniu wykorzystywany może być jako paliwo samochodach, a po oczyszczeniu do biometanu, jest w stanie spełniać rolę gazy ziemnego. Uważany jest za odnawialne źródło energii. Ponadto taka sama ilość dwutlenku węgla do produkcji biogazu jest absorbowana z atmosfery, jak ilość wydalana podczas jego spalania. 

Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem liści jako substratu w produkcji biogazu. Koncentrują się głównie wokół liści zebranych na terenach miejskich i wiejskich. Dzięki temu liście pozyskane z oczyszczania z nich miejskich ulic, bądź liście opadłe, zebrane z plantacji i sadów, mogłyby znaleźć zastosowanie jako źródło energii. 

Biogaz wykorzystywany jest głównie w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech, USA. 

VIII. KOMPOSTOWANIE

Kompostowanie to naturalna metoda unieszkodliwiania i zagospodarowania odpadów. Polega na rozkładzie substancji organicznej przez mikroorganizmy - bakterie tlenowe, nicienie, itd. Jest przeprowadzana w warunkach tlenowych. Potrzebuje obecności tlenu (powietrza), odpowiedniej temperatury, wilgotności. 

W skład materii, jaka zostanie poddana kompostowaniu wchodzić musi węgiel, azot i tlen z powietrza, woda. 

Kompost uzyskany w wyniku tego procesu jest nawozem organicznym. 

Podczas kompostowania zachodzą dwa istotne procesy biochemiczne: mineralizacja i humifikacja. 

Surowce węglowe zapewniają celulozę - niezbędną bakteriom do produkcji ciepła i cukrów. 

Surowce azotowe są źródłem skoncentrowanych białek niezbędnych dla rozwoju bakterii. 

Surowce węglowe: 

- słoma zbożowa, 

- liście jesienne, 

- pył drzewny, 

- papier, karton 

Surowce azotowe:

- zielona biomasa, np. siano, trawa skoszona, 

- odchody zwierząt roślinożernych, np. krów, koni, 

- resztki warzyw i owoców, 

- wodorosty, 

- kawa mielona. 

Kompostownik powinniśmy przygotować układając na przemian warstwy o grubości 15 cm, by tempo rozkładu było odpowiednie. Nigdy nie powinniśmy kompostować odchodów zwierząt mięsożernych i odchodów ludzkich. 

Sposoby kompostowania:

- aktywnie (na gorąco) - rozwój najbardziej efektywnych bakterii, zabija większość chorobotwórczych zarazków i nasion, szybko daje ponadto gotowy kompost. 

- pasywnie (na zimno) - pozostawia się materiał i pozostawia samemu sobie, by poddany został naturalnemu, powolnemu kompostowaniu, które pozostawia mikroorganizmy chorobotwórcze i nasiona. 

Dobrze przygotowany stos kompostowy powinien mieć taką zawartość wilgoci jak dobrze wyciśnięta gąbka. Odpowiednia wilgotność potrzebna jest do podtrzymania procesów życiowych u bakterii. Ponadto stos powinien mieć metr wysokości, metr szerokości i dowolną długość. Idealna temperatura stosu wynosi około 60 stopni, ponieważ ginie w niej większość drobnoustrojów chorobotwórczych i nasion roślin. Temperaturę taką lubią też bakterie termofilne - najszybciej rozkładające biomasę. 

A poniżej ciekawy sposób kompostowania - tzw. wermikompostowanie, czyli kompostowanie z wykorzystaniem dżdżownic :)

IX. KOMPOSTOWNIA: 

Kompostownia to obiekt przemysłowy, który zajmuje się przeróbką odpadów z wykorzystaniem technologii kompostowania. Trafiają tu odpady z gospodarstw rolnych, ogrodniczych, żywność nieprodukcyjna, odpady biologiczne, osady z biologicznego oczyszczania ścieków, fragmenty zieleni miejskiej, rekreacyjnej, przemysłowej, itd. Uzyskany kompost jest następnie przeznaczany do rekultywacji gruntów bezglebowych. 

X. BIOLOGICZNE ZWALCZANIE SZKODNIKÓW:

Biologicznie zwalczać szkodniki można poprzez zastosowanie naturalnych olejków eterycznych, sadzenie roślin odstraszających szkodniki, zwalczanie stonki przez naturalnych wrogów, np. bażanty, użycie organizmów chorobotwórczych - zastosowanie tzw. metody Pasteur’a; zastosowanie grzybów, wykorzystanie mrówek; opryskiwanie naparem z piołunu o działaniu odkażającym; wykorzystanie jeży i dżdżownic w walce ze szkodnikami. 

Początkowo popularną metodą było zwalczanie szkodników za pomocą organizmów będących ich naturalnymi wrogami. Obecnie istnieje dużo więcej metod zmniejszenia populacji szkodnika poniżej poziomu szkodliwości gospodarczej; minimalizowania jego wpływu na środowisko materialne i na człowieka. Metody ekologiczne są jednakże wciąż jedynie alternatywą dla metod chemicznych. Obecnie zatem zalecane jest połączenie dwóch tych sposobów i zwalczanie zintegrowane. 

Metody zwalczania szkodników:

1. Metoda walk populacji - umieszczamy wroga w miejscu bytowania danego szkodnika. Osobniki zwalczającego szkodnika gatunku są jednak ruchliwe i często odlatują z plantacji, więc metoda taka najlepiej sprawdza się w szklarniach.
2. Szukanie wrogów na świecie i introdukowanie ich do kraju - dosyć ryzykowne, możemy sprowadzić organizmy nieprzystosowane i niezdatne do życia w danym klimacie, 
3. Hodowle przemysłowe - zaopatrują one świat w pożyteczne dla człowieka organizmy, np. hodowle kruszynków. Dostarczane są one następnie samolotem na pola, plantacje, itd., gdzie wykonywany jest ich desant. 
4. Użycie organizmów chorobotwórczych (zasugerowane przez Ludwika Pasteur’a) - np. Salmonella typhi przeciwko myszom i nornikom. W 1950 roku np. Państwowy Instytut Weterynarii w Puławach przeprowadził odszczurzanie Ziem Odzyskanych w ten sposób za pomocą 50 ton bakterii Danysza. Jan Danysz był polskim lekarzem, który wyizolował Salmonella entiriditis. Wkrótce metodę tę zakazano w wielu krajach stosować, bo istnieje ryzyko wywołani Salmonellozy w organizmach innych aniżeli szkodniki. 
5. Użycie grzybów - metoda ta skuteczna jest podczas jesieni. Grzyby lubią bowiem wilgotne środowisko. Za pomocą strzępek grzyby przyczepiają się do ciał owadów takich jak np. mucha domowa. Entomopthara muscae np. przez otworu w ciele zapuszcza strzępki w głąb tego owada. Owad ginie, a grzyb nadal rozrasta się w jego ciele, wypuszcza trzonki konidialne, które przebijają wkrótce ciało owada. Następuje następnie „wystrzelenie” zarodników grzyba z ciała owada. 
6. Wykorzystanie kręgowców - wykorzystane mogą zostać wszystkie kręgowce, które sprzymierzyły się w walce ze szkodnikami i są objęte w Polsce ochroną. Powinno udostępniać się im wodę i budować skrzynki lęgowe. Najczęściej są to ptaki, np. szpaki, które zjadają wiele ślimaków, a także jeże, o które trzeba dbać, by skutecznie zwalczały szkodniki. Jeżom należy pomagać również w ich zimowaniu. 
7. Metody biotechniczne: stosowanie feromonów, hormonów, pochodnych auksyn; hormonów juwenilnych u owadów. 

XI. BIOTESTY W BIOTECHNOLOGII TRADYCYJNEJ

Biotesty stanowią bardzo ważny element biomonitoringu. Można dzięki nim ocenić, np. zanieczyszczenie wód. Popularny jest np. biotest Microtox - szybki test toksyczności. Stosuje się go m.in. w Polsce do pomiaru toksyczności wód. Odczynnikami pomiarowymi są tutaj zamrożone bakterie o właściwościach luminescencyjnych. Po nawodnieniu bakterie są od razu gotowe do użycia jako biosensory. Bakterie luminescencyjne produkują ponadto światło w widzialnym zakresie w procesie swoich normalnych procesów metabolicznych. Jakakolwiek zmiana w owych procesach, wywołana kontaktem z próbką, powoduje zmiany w emisji światła. Ponadto intensywne świecenie bakterii zależne jest od ilości tlenu. 

XII. TWORZYWA BIODEGRADOWALNE

Tworzywa biodegradowalne wytwarzane są z cukrów, kukurydzy, z petrochemicznych surowców, itd. Przykładami są: 

1. PLA - poliaktyd - poli(kwas mlekowy) - otrzymywany w wyniku kondensacji kwasu mlekowego, stosowany do wytwarzania folii. 
2. Polihydromaślan - wytwarza się z niego opakowania na szampony i kosmetyki. 
3. Polikaprolakton - stosowany jest do produkcji jednorazowych talerzy, kubków, nici chirurgicznych, itd. 
4. Poliglikolid - do nici chirurgicznych. 
5. Polihydroksyalkaniany - do produkcji implantów i sztucznych tkanek. 

Polimery surowców odnawialnych mogą być wytwarzane chemicznie lub biologicznie. Tworzywa biodegradowalne ulegają biodegradacji, a ponadto mogą ulegać kompostowaniu. 

XIII. BIOINDYKACJA

W bioindykacji wykorzystywane są stenobionty - organizmy o wąskim zakresie tolerancji na dany czynnik środowiskowy. Bioindykatorami zanieczyszczeń wód są raki rzeczne i larwy chruścików. Z kolei bioindykatorami powietrza są porosty. 

Bioindykatory gleb:

• gleby silnie zakwaszone - szczaw polny, wrzos pospolity, mech torfowiec, żurawina zwyczajna, borówka czarna.
• metale ciężkie - mchy i porosty. 
• zasadowy odczyn gleby - jasnota biała, babka zwyczajna
• wapń (bogate) - ocet zwisły, lucerna sierpowata, sasanka pospolita.
• wapń (ubogo) - rumianek polny, chaber bławatek. 
• siarka - liliowate, krzyżowe.
• cynk, ołów - zanik wyczyńca łąkowego.
• za dużo miedzi - spadek plonu gryki.
• gleby słone - halofity, np. solanka kolczasta.
• kwaśne deszcze - drzewa iglaste, np. jodła pospolita.

Bioindykatory powietrza:

• zatrucia atmosfery: rośliny iglaste (jodła pospolita, świerk pospolity),
• wzrost ilości ozonu: tytoń, koniczyna biała, 
• azotany: fasola zwyczajna, pomidor, ogórek.
• kumulacja metali ciężkich: mchy.