Научная работа: Живые утилизаторы

Научная работа: Живые утилизаторы

Городская открытая научно-практическая конференция

Тема: «Живые утилизаторы»

2006г

Оглавление

Введение

Глава I.Живые утилизаторы как один из вариантов решения экологических проблем

§ 1. Краткий обзор экологических проблем человечества

§ 2. Функция микроорганизмов как утилизаторов

§ 3. Будущее микроорганизмов

§ 4. Растения утилизаторы

Заключение

Выводы

Список литературы

Введение

«Экологический кризис» — это словосочетание еще недав­но вызывало тревожные чувства и ощущение надвигающейся опасности. Но на фоне множества предкризисных и кризисных ситуаций в экономике, политике, международных отношени­ях практически перестали восприниматься как серьезные та­кие признаки начинающегося разрушения баланса природных сил, как участившиеся разорительные наводнения, появление новых болезней и многие другие. От частого употребления всуе стирается смысл самого термина «экология». Собственно эко­логические проблемы, многие из которых приобрели глобаль­ное значение и стали проблемами выживания человечества, часто подменяются местными санитарными задачами, решение которых заменяет работу над сложными и требующими глубо­кого понимания их существа экологическими проблемами.

Любая экологическая проблема начинается с повседневного поведения людей, их быта, поступков. Например, банальный      выброс мусора, нерациональное использование чистой воды и других природных ресурсов. Смягчить данные устои на уровне введения политических запретов и других административных норм довольно трудно. Но ведь сама природа может помочь людям решить эти проблемы при помощи живых организмов – утилизаторов. Эта проблема до сих пор не была хорошо изучена зарубежными и отечественными учеными биологами, поэтому мы посчитали необходимым и актуальным рассмотреть эту проблему именно в данное время.

Актуальность выдвинутой темы обусловила постановку цели работы.

Цель работы: показать роль живых утилизаторов в решении экологических проблем.

Задачи работы:

1)         проанализировать эколого-биологическую литературу по данной тематике;

2)         определить функции утилизаторов в живой природе;

3)         определить возможные виды живых утилизаторов;

Глава I. Живые утилизаторы как один из вариантов решения экологических проблем

§ 1. Краткий обзор экологических проблем человечества

Проблемы загрязнения воздуха, вод, пищи достаточно широко обсуждаются и в основных чертах знакомы каждому. Поэтому на данном этапе множество средств и внимания уделено взаимодействию разных сред в пе­реносе загрязнений, механизмам воздействия токсикантов на человека и экосистемы, а также обсуждению основных страте­гических и тактических направлений действий по предотвра­щению загрязнения природной среды — единственной среды обитания людей.

На повестке дня стоит жизненно важная проблема. Быстрый рост городов и городского населения, непрерывно увеличивающиеся масштабы мирового промышленного производства породили так называемую «проблему отходов». Только в США в настоящее время скопилось 57 миллионов тонн токсических и других опасных отходов, 60% из них - продукты химической промышленности. К 1990 году, по расчетам, их количество возрастает до 80 миллионов тонн.

Хотелось бы отметить, что эстетические, этичес­кие и эколого-санитарные аспекты проблемы биоразнообразия, которые и определяют отношение к ней не только широкой об­щественности, но и руководителей самого разного ранга, в том числе принимающих государственные решения, не должны быть определяющими. Угроза потери биоразнообразия — это угроза всему облику жизни на Земле, составу атмосферы и вод, климату, свойственным современному состоянию биосферы, в котором сформировался и существует человек.

Основная причина развивающегося кризиса взаимоотношений «природа – человек» лежит в сфере культуры, формирующей подчиненное, охранительное или потребительское отношение человека к природе, и от отношения этого зависит распределение усилии современного человечества, направляемых на эксплуатацию, сохранение, воспроизведение и приумножение природных ресурсов.

Все подобные данные о причинах возникновения экологических проблем, возможных путях их решения были собраны в науке «экологии».

Экология (от греческого «ойкос» — дом) выделилась в самостоятельный раздел биологии во второй половине XIX века. Обосновал необходимость этого раздела био­логии, дал ему название и сформулировал комплекс проблем, стоящих перед экологией, Эрнст Геккель, один из ярких последователей эволюционного учения Чарльза Дарвина. Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде». Современные определения экологии, отличаясь в деталях у разных авторов, сводятся к представлению о « биологической науке, изучающей организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы» [Розанов;12]. Экология изучает зависимость численности каждого изучаемого вида от конкретных условий, и позволяет в необходимых случаях управлять численностью, а, следовательно, эффективностью хозяйственного или иного использования вида.

Экология как наука о взаимодействии организмов и среды развивается в значительной мере под влиянием потребностей практики. В современном мире XXI века эта потребность увеличивается в несколько раз, что объясняется интенсивным научно-техническим прогрессом в таких областях, как: промышленность, автомобилестроение, металлургия и некоторых других.

Те живые организмы, которые оказывают помощь в решении экологических проблем, перерабатывая «загрязнители» и очищая тем самым воду, воздух, почву, называются утилизаторами. Утилизация – это вовлечение различных типов загрязнения в новых технологические циклы или использование в других полезных целях. Утилизатор-это тот, кто уничтожает. В качестве примеров утилизаторов в нашей работе приводятся: микроорганизмы и растения.

§2. Функция микроорганизмов как утилизаторов

Еще одним важнейшим вопросом проблемы отходов является изыскание наиболее эффективных методов и средств очистки, обезвреживание и утилизация бытовых и производственных сточных вод, которые во всех промышленно-развитых странах являются основными источниками загрязнения природных водоемов и атмосферы. Об остроте, масштабности задачи говорят такие данные: ежегодный водозабор из природных источников на хозяйственно-бытовые нужды в настоящее время во всем мире составляет 3,5 тысячи кубических километров, а объем воды, загрязняемой промышленно-бытовыми стоками, равен 6 тысячам кубических километров.

В природе любая, даже самая незначительная, на первый взгляд, часть может оказать большое влияние на какую-либо сложившуюся ситуацию. Например, микроорганизмы совершают громадную работу по созданию одних горных пород и минералов и разрушению других, механизм этой работы часто наводит на мысль о возможности использования этого процесса работы, но уже в решении экологической проблемы.

Крупные месторождения серы постепенно иссякают, а новые обнаружить все труднее. Выход нашелся совер­шенно неожиданно. Стало известно, что арабы, живущие у озера Айнез-Зауя в Северной Африке, в течение многих лет добывали на его берегах серу. И сейчас в во­дах этого озера совершается таинство сероосаждения : 20-сантиметровый слой серы устилает все дно. Аналогич­ная картина наблюдается и на озере Серном Куйбышевской области, в котором еще при Петре I добывали серу для производства пороха. Чтобы проникнуть в тайну этого процесса, построили миниатюрную модель озера и поставили ряд опытов: в обычную колбу с водой помести­ли гипс и сульфат натрия, затем в этот же сосуд поселили сульфатредуцирующие и так называемые пурпурные бактерии. Первые создавали из исходных веществ сероводород, а вторые переводили его в серу. На стенках и дне колбы выпадал осадок серы!

Расчеты показывают, что при воспроизведении усло­вий лабораторных экспериментов в водоеме глубиной 5 метров и площадью 1 квадратный километр за сто дней серобактерии выработали бы от 100 до 500 тысяч тонн серы! Цифры довольно убедительно говорят о вы­сокой «производительности» труда рабочих-невидимок. Реальность расчетов можно подтвердить также примером, приведенным академиком В. Вернадским в «Очерках гео­химии»: микробы так быстро размножаются в подхо­дящих условиях, что одна бактерия за 4—5 дней может образовать 10 особей. Значит, все дело в том, чтобы создать микробам подходящие условия, и тогда они будут работать «не за страх, а за совесть».

Не менее подходящей, а главное, дешевой средой для деятельности серобактерий могут стать сточные, канализационные воды. Здесь можно получить двойной выигрыш: микробы будут вырабатывать серу и одновременно очищать городские отходы.

Преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать в 1989 г., когда танкер «Валдиз» компании «Экссон» наткнулся на риф у побережья Аляски. В море вылилось около 40 тыс. т нефти, загрязнившей 2 тыс. км побережья. Это было самым значительным загрязнением за всю историю США, и произошло оно в одном из самых чистых уголков Земли. Погибли: 1 млн. птиц, 95% тюленей, 75% участков обитания лосося на Аляске были загрязнены.

Ликвидация последствий катастрофы обошлась в 2 млрд. долл. К механической очистке побережья привлекли 11 тыс. рабочих и дорогое оборудование. Параллельно для очистки берега в почву внесли азотное удобрение, способствовавшее развитию природных микробных сообществ. Это в 5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, сказывались бы и через 10 лет, в основном устранили за 2 года. Затраты на биоочистку не превысили 1 млн. долл.

С каждым днем все больше экспертов считают, что именно биотехнологии становятся символом могущества современной науки, воплощением достижений цивилизации. Когда-то у побережья Пакистана затонул танкер с десятками тысяч тонн нефти. Животному миру и побережью Аравийского моря нанесен огромный ущерб. Биотехнологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды в состоянии предотвратить такие потери.

Нефтью и нефтепродуктами сегодня загрязнена даже Антарктида. В России же вообще добыча, транспортировка и переработка нефти воспринимаются как страшная угроза живой природе. И не без оснований – в Западной Сибири, где сорок лет назад начали осваивать крупнейшие месторождения, на огромных территориях нефть уничтожила все живое.

Проблема оказывается в центре внимания СМИ, когда случаются крупные разливы (аварии танкеров, разрывы нефтепроводов). Но проходит время, это перестает быть новостью, и о «нефтяной угрозе» биосфере благополучно забывают, хотя покрытые нефтяной пленкой акватории, пляжи или участки тайги не восстановятся и через десятилетия. На автозаправочных станциях, аэродромах, военных базах (точнее, под ними) все чаще находят огромные «линзы» нефтепродуктов. Загрязнения нефтепродуктами крайне опасны, ибо некоторые их компоненты, в частности полиароматические углеводороды, весьма токсичны (канцерогенны) и разрушаются крайне медленно.

Бороться с загрязнением окружающей среды, как оказалось, могут микроорганизмы. Они эффективнее любых других живых существ превращают сложные соединения в простые. Для микробов это просто процесс питания – использование сложных органических соединений в качестве источников азота, углерода, фосфора и т.д. Сложные соединения служат пищей, а простые поступают в биосферу, участвуя в знакомом со школы цикле органических соединений. Но микроорганизмам приходится иметь дело и с новыми для них соединениями, которые прежде были надежно спрятаны в тайниках планеты, скажем, глубоко под ее поверхностью. Так произошло и с нефтью, которую «вытащили» на поверхность. С каждым днем в биосферу попадают все новые синтетические органические соединения, которых никогда не было в природе. И микробы не только демонстрируют фантастическую способность к их переработке, но и непрерывно эволюционируют. И здесь специалисты возлагают надежды на микроорганизмы, полученные методами генной инженерии и обладающие нужными свойствами. Однако общество боится гипотетических рисков генной инженерии, в том числе и «выведенных» с ее помощью микроорганизмов. Кстати, далеко не все генетически модифицированные микроорганизмы – продукты генной инженерии: они прекрасно обмениваются генами и в природе.

Кроме очевидного использования микроорганизмов в решении экологических проблем, существует и их «косвенное» участие.

Легко растворимая за­кись железа выносится с водой на поверхность. Здесь под действием железобактерий она окисляется, превращается в нерастворимую гидроокись и выпадает в осадок. В результате железо перекочевывает из глубин Земли на поверхность и откладывается в виде железной руды. На это еще в 1888 году указывал известный русский микробиолог С. Виноградский (1856—1953).[5;56]. Все важнейшие мировые месторождения железа, по мнению ряда ученых, имеют бактериальную основу. Член-корреспондент АН СССР А. Вологдин (1896— 1971) отмечал, что ему приходилось наблюдать под микроскопом останки древних железобактерий во многих рудах — из Кривого Рога, с Кольского полуострова, из Казахстана, из Сибири, с Дальнего Востока. И на дне Мирового океана океанологи обнаруживают колоссаль­ное количество скоплений железомарганцевых конкре­ций, как полагают, микробиологического происхождения.

А поскольку эти бесконечно малые организмы ведут такую титаническую геологическую деятельность в масштабах нашей планеты, если они так могущественны и всесильны, то их, естественно, нужно заставить работать на челове­ка не только в микробиологической, химической, пище­вой, фармацевтической промышленности, в сельском хозяйстве, в горнорудной и металлургической промышленности, но и в биометаллургии и биогорнорудной промышленности.. Здесь для них необъятное поле деятельности.

Более тридцати лет назад провели исследование ржа­вого осадка в шахтных и рудничных водах. Предполага­лось, что он образуется только в результате окисления. Опыты же показали, что в стерилизованной воде железо практически не окисляется, зато в шахтной... Трое суток — и оно покрылось красноватым налетом. Виновники этой «химической диверсии» были обнаружены с помощью микроскопа. То, что раньше принимали за обычную реакцию, оказалось биологическим процессом, в котором главную роль играют серо- и железобактерии. Те же самые серобактерии по собственному почину освобо­ждают уголь от соединений серы: за месяц они окисляют до 30 процентов серы и удаляют ее в виде серной кисло­ты. Процесс этот протекает слишком медленно, чтобы применять его в промышленности. Но зато он не требует никакого специального оборудования.

В своей жизнедеятельности серобактерии выступают, подобно двуликому Янусу, сразу в двух амплуа: в роли создателей месторождений серы и в роли рудных бра­коньеров. Они разрушают вскрытые месторождения сульфидных руд, окисляя нерастворимые в воде сульфиды металлов и превращая их в легкорастворимые соеди­нения. Разумеется, сульфоредуцирующие микробы об этом даже не подозревают. Добывая себе энергию за счет реакции окисления, они, как отмечалось выше, хищнически разоряют залежи сернистых руд. Переведен­ные в растворимую форму соединения металла вымы­ваются дренажными и почвенными водами. Ценный продукт беспрепятственно уходит из руды и теряется безвозвратно.

А можно ли рудных браконьеров перевоспитать, превратить из хищников в обогатителей бедных руд, в дея­тельных металлургов? - Можно! Продукты собственного химического производства не интересуют железо- и се­робактерии. Неорганические молекулы для них лишь своеобразные «дрова». Сжигая их в «пламени химиче­ского костра», они получают необходимую для себя энергию. Следовательно, не ущемляя интересов бакте­рий, с ними можно заключить взаимовыгодный дого­вор: вам — вершки, а нам корешки, вам — тепло «химического костра», а нам — его золу. Именно с этой целью и вступили уральские ученые «в союз» с серобак­териями. Они разработали схему первой опытно-про­мышленной установки по бактериальному (подземному) выщелачиванию металла из медных и цинковых руд. Она оказалась предельно простой. По трубопроводу в скважины подается бактериальный раствор. Он увлажняет руду. Бактерии окисляют металл, и он переходит в раст­вор (концентрат), который выкачивается на поверхность в специальные желоба. На этом производство концентра­та заканчивается. Содержание металла в нем достигает 80 процентов. Только за время опытов на Дегтярском месторождении с помощью бактериального выщелачи­вания были добыты десятки тонн меди, причем руда бра­лась с отработанных участков месторождения. Получен­ная этим способом медь почти втрое дешевле, чем при использовании других методов.

Страницы: 1, 2