биодеградация в условиях естественных и искусственных

НАУКИ О ЧЕЛОВЕКЕ И ОБЩЕСТВЕ
Биодеградация в условиях экосистем
Б
НЫ
ЕС
НН
ЕН
ВЕ
СТТВ
ЕС
СТТЕ
ХЕ
ЯХ
ИЯ
ВИ
ОВ
ЛО
СЛ
И
В УУС
ЯВ
ИЯ
ЦИ
АЦ
ДА
АД
РА
ЕГГР
ДЕ
ХИ
ОД
ЫХ
БИИО
И
ЭККО
М
ЕМ
СТТЕ
ИС
СИ
ОС
ХЭ
ЫХ
НЫ
НН
ЕН
ВЕ
ИС
СТТВ
СС
СККУУС
С.А. Сафронова, И.Н. Лыков
Светлана Александровна Сафронова, кандидат биологических наук, доцент кафедры
промышленной экологии Калужского филиала Московского государственного технического
университета им. Н.Э. Баумана. Руководитель проекта 05-06-995111.
Игорь Николаевич Лыков, доктор биологических наук, директор Испытательной
лаборатории по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии.
Любой живой организм, от бактерии до человека, представляет собой открытую
экосистему, требующую постоянного притока веществ и энергии, которые затем
возвращаются в окружающую среду. В борьбе за биогенные вещества и за энергию строится
вектор эволюционного процесса. Выживает тот организм, который лучше приспособлен к
окружающей среде, имеет альтернативные варианты питания и источники получения энергии.
Так происходит формирование сложных организмов из простых.
Все процессы круговорота биогенных веществ ограничиваются земной биосферой. Эти
процессы сформировались в течение нескольких миллиардов лет и представляют собой
тонкий механизм, гениальный по своей простоте, но в то же время сложный и таящий в себе
неразгаданные тайны.
Природа не терпит вмешательства в этот процесс. Вернее, терпит до определенного
предела. Она сотрет с лица Земли любое живое существо, вносящее дисгармонию в жизненно
важные биогеохимические циклы, превышающее порог изменения функциональной
целостности биосферы. Так будет и с человечеством, если мы не поймем, что существуют
пределы биосферных возможностей.
С энергией сложнее, чем с веществом. Она не может включаться в круговорот, как
биогенные вещества. Она теряется от одного трофического уровня к другому, и только 10%
передается на следующий уровень. Эта закономерность получила название правила
экологических пирамид энергии, или правила 10%. Энергия необратимо рассеивается в
окружающей среде и становится недоступной для использования. Поэтому биосфера
находится в постоянной зависимости от внешнего источника энергии, каким для нас служит
Солнце. Все живое на нашей планете подчиняется основным законам термодинамики.
Реализация биогеохимических циклов начинается на самом низшем уровне — на уровне
микроорганизмов, самой представительной формы жизни. Может быть, по видовому составу
они не отличаются особым разнообразием и в этом проигрывают остальному животному
миру, но по численности им нет равных. Мы по сравнению с этими самыми древними
жителями — гости на планете Земля. Именно они были единственными представителями
живых организмов на протяжении 1—2 млрд. лет. Благодаря их жизнедеятельности
сформировались условия для появления более сложных форм. Микроорганизмы и сегодня во
многом определяют устойчивость биосферы во всех ее подсистемах. По своим масштабам
биохимическая деятельность микроорганизмов не имеет аналогов в биосфере.
В борьбе за вещество и энергию микроорганизмы прилагают колоссальные усилия,
объединяя свои ферментные системы для разрушения (биодеградации) сложных
органических молекул до простых биогенных веществ. При этом бактерии не только
извлекают необходимые им вещества, но и энергию, заключенную в химических связях.
Извлечение этой энергии — жизненно важная задача микроорганизмов. Благодаря этому
процессу реализуются биогеохимические циклы и поддерживается устойчивость биосферы.
1
НАУКИ О ЧЕЛОВЕКЕ И ОБЩЕСТВЕ
Биодеградация в условиях экосистем
Однако не все так просто и согласованно в микромире. В процессе биодеградации
сталкиваются жизненные интересы самых различных групп микроорганизмов. Здесь так же,
как и в человеческой жизни, разыгрываются драмы и трагедии, существуют свои Моцарты и
Сальери. Поэтому процесс биодеградации идет успешнее и быстрее в том случае, когда
бактерии объединяют свои физиологические возможности, передавая молекулярные ос колки
другим бактериям.
Процессы разложения органических веществ происходят как в присутствии кислорода
(в аэробных условиях), так и в бескислородной среде (анаэробных условиях). После
биодеградации в атмосфере кислорода бактерии оставляют множество «недоеденных»
энергонасыщенных молекулярных огрызков.
Более древние анаэробные бактерии не так расточительны. Они стараются «обглодать»
органические молекулы по максимуму. Поэтому после разложения органики в анаэробных
условиях количество сухого остатка в семь раз меньше, чем при биодеградации в аэробных
условиях.
В аэробных условиях в окружающей среде накапливаются различные побочные
продукты биодеградации белков, жиров и углеводов. В анаэробных условиях они разлагаются
более глубоко, превращаясь в воду, углекислый газ, сероводород, метан и другие соединения.
Эти вещества, в свою очередь, используются другими микроорганизмами для построения
своей биомассы и синтеза жизненно необходимых веществ.
Итак, процесс трансформации органических веществ в биосфере происходит в большей
степени за счет ферментной системы микроорганизмов, несметные количества которых день
и ночь очищают нашу планету от мертвых организмов, позволяя появиться новой жизни. Так
как у микроорганизмов нет системы терморегуляции, то активность их ферментов зависит от
температуры окружающей среды. Каждая группа ферментов имеет свой температурный
оптимум, поэтому процессы биодеградации идут круглосуточно,
медленнее или быстрее, в зависимости от температурного оптимума ферментов. Если
температура слишком низкая, то процесс может быть «заморожен». При высоких
температурах (более 70—90°С) многие ферменты разрушаются. На этом основаны процессы
пастеризации и стерилизации. Лишь ферментные системы термофильных бактерий, живущих
в гейзерах, горячих источниках, способны функционировать при более высоких
температурах.
Таким образом, скорость переработки органических веществ в естественных условиях
зависит от температуры среды обитания, качественного разнообразия микробной ассоциации
и качественного состава самих органических веществ.
Спокойные трудовые будни у микроорганизмов кончились с появлением человека.
Несмотря на свою малочисленность, человек активнее других биологических существ стал
вмешиваться в экосистемы. Вначале влияние человека было локальным, а затем с развитием
научно-технического прогресса оно сменилось глобальным воздействием на биосферу.
Поэтому на сегодня практически во всех компонентах биосферы можно обнаружить следы
деятельности человека. Это в значительной мере относится и к свалкам отходов.
В условиях современных городов скорость накопления органических отходов
значительно превосходит естественные биодеградационные процессы. Кроме того, в составе
этих отходов присутствуют в достаточном количестве трудно утилизируемые материалы.
Микроорганизмы уже не в состоянии справиться с огромным количеством ежедневно
поступающих отходов, среди которых есть такие вещества, которых природа не знала и не
выработала механизмов их разрушения.
Что делать с этими отходами? Основным способом переработки органических отходов в
современных техногенных системах остается, к сожалению, сжигание. Этот процесс
2
НАУКИ О ЧЕЛОВЕКЕ И ОБЩЕСТВЕ
Биодеградация в условиях экосистем
сопровождается мощным воздействием на окружающую среду, начиная от фотохимического
смога и кончая глобальным потеплением.
Сегодня, несмотря на развитие гидро и атомной энергетики, свыше 90% потребляемой в
мире энергии приходится на органическое топливо. Эта тенденция сохранится и в ближайшие
десятилетия.
Биологические системы не могут позволить себе так расточительно и бурно извлекать
энергию. Основные энергетические процессы, благодаря которым поток энергии проходит
через организмы, — это фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение. Первые два процесса
обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления
неорганических веществ (хемосинтез). Процессы дыхания и брожения направлены на
извлечение веществ и энергии. В отличие от дыхания, требующего присутствия кислорода,
брожение происходит в бескислородной среде. Л. Пастер называл брожение «жизнью без
кислорода».
В естественных условиях процессы разложения органических веществ протекают
стихийно. Должно пройти определенное время, пока на отходах сформируются и
адаптируются бактериальные сообщества, пока начнет работать система «фермент —
органический субстрат». Каким образом можно ускорить этот процесс?
Для этого необходимо соблюдение трех условий:
1.
Сортировка отходов. На полигоны по захоронению отходов должны поступать
только те компоненты, которые бактерии и другие сожительствующие с ними
организмы могут переработать.
2.
Бактериальные сообщества должны быть адаптированы
субстрату, присутствующему в отходах.
3.
Для успешной и быстрой биодеградации необходимо создать оптимальный
температурный режим, стимулирующий активность бактериальных ферментов.
к
органическому
Все эти условия были выполнены нами в ходе разработки технологии биодеградации
органических отходов. Этому предшествовала работа по изучению состава отходов,
вывозимых на свалки средних российских городов. На основании анализа полученных
данных разработан усредненный образец органических отходов, преобладающих на свалках.
Мы назвали его имитатором органических отходов.
Для реализации второго условия мы исследовали качественный и количественный
состав микроорганизмов, активно работающих на городских свалках. Мы старались собрать
команду из дружелюбно настроенных друг к другу микроорганизмов, наиболее активно
перерабатывающих органический субстрат. Более научно это звучит, как процесс
формирования микробной ассоциации, трофически адаптированной к субстрату.
После многочисленных исследований такая ассоциация микроорганизмов была
получена. Она включает в себя мезофильные и термофильные факультативные анаэробы,
лактобациллы,
актиномицеты.
Микроорганизмы
применяются
в
высушенном
(лиофилизированном) виде.
Наконец, третье условие было реализовано нами путем разработки лабораторной модели
биореактора анаэробного типа, в котором используется субстрат растительного и животного
происхождения, препарат микробной ассоциации, адаптированной к этому субстрату, и
подогрев для активизации ферментов.
Особенность разработанной нами модели биореактора заключается в использовании
газо-возвратной системы для перемешивания ферментируемых отходов. При этом происходит
3
НАУКИ О ЧЕЛОВЕКЕ И ОБЩЕСТВЕ
Биодеградация в условиях экосистем
не только оптимизация биотехнологического процесса. Отсутствие электромеханических
мешалок позволяет экономить электроэнергию.
В результате разложения субстрата в биореакторе микроорганизмы используют от 7 до
14% энергии для удовлетворения своих биосинтетических потребностей, а основная ее часть
аккумулируется в молекулах метана, который может использоваться в качестве
альтернативного источника энергии.
Направленная оптимизация процесса метанового брожения субстрата способствует в
течение 8—12 сут. выходу 85—90% метана в составе биогаза. Это создает хорошие
предпосылки для практического использования разработанной нами биотехнологии
извлечения метана из животных и расти тельных отходов как в условиях средних и малых
городов (полигоны твердых бытовых отходов), так и в замкнутых герметичных экосистемах
во время длительных космических полетов.
В экосистемах длительно пилотируемых объектов (гермообъектов) обычные наземные
методы биодеградации требуют существенной корректировки. Это связано со спецификой
гермообъектов и условиями работы системы жизнеобеспечения. Кроме того, в обитаемых
гермообъектах неприемлемо стихийное формирование микробной ассоциации. Оно
сопряжено с длительным периодом адаптации микроорганизмов к органическому субстрату.
В любой новой ситуации требуется время на изучение, на приобретение опыта, на
адаптацию в коллективе. Другое дело, когда за работу берется сработавшаяся команда
профессиональных мастеров, знающих свое дело. Поэтому нами и используется
адаптированная ассоциация микроорганизмов, быстро включающихся в процесс
биодеградации. Такие микроорганизмы могут применяться в сухой таблетированной форме.
При загрузке материала достаточно небольшого количества воды, чтобы процесс получил
интенсивное развитие.
Мы уже говорили о том, что процесс биодеградации наиболее эффективно идет в
анаэробных условиях, при образовании метана. Но в замкнутых космических экосистемах это
технически трудно реализовать. В таком случае можно взять микроорганизмы, использующие
метан в качестве источника углерода и энергии. Такие бактерии называют метанотрофами.
Для реализации этой идеи мы проследили процесс биодеградации органических веществ
на полигоне твердых бытовых отходов. Мы уже говорили, что разложение органических
отходов складывается из аэробных и анаэробных процессов. Аэробный процесс
сопровождается формированием микробной биомассы и продуктов жизнедеятельности
микроорганизмов, основным из которых является двуокись углерода. Жизнедеятельность
аэробных микроорганизмов сопровождается поглощением атмосферного кислорода, что
приводит к формированию анаэробной среды. В этой среде развивается анаэробная
микрофлора, способная разлагать органические продукты до двуокиси углерода,
органических спиртов и кислот. Это так называемая кислая или ацидогенная фаза.
На завершающей стадии трансформации органических продуктов находятся
метанобразующие бактерии, которые преобразуют органические кис лоты и простейшие
спирты в метан или восстанавливают углекислоту до метана, используя в качестве источника
энергии молекулярный водород. Эта стадия называется метаногенной.
Образующийся метан под давлением выходит в верхние слои свалки, в которых
содержится кислород, и используется метанотрофами с образованием воды и углекислого
газа. Поэтому эта стадия называется иммобилизационной.
В природе все эти стадии достаточно условны и взаимосвязаны. Но в обитаемых
замкнутых космических экосистемах наиболее рациональной представляется раздельная
схема биодеградации, в которой участвуют три автономных сегмента биореактора:
— ацидогенный;
4
НАУКИ О ЧЕЛОВЕКЕ И ОБЩЕСТВЕ
Биодеградация в условиях экосистем
— метаногенный;
— иммобилизационный.
Подобная схема требует экспериментальной проверки на опытных образцах и более
детальной технологической проработки, которая нами уже проводится.
В последнее время в рамках эксперимента «Биоутилизация» мы изучаем влияние
факторов космического полета на биологические свойства бактериальных ассоциаций,
задействованных в рассматриваемых здесь процессах. Полученные результаты — тема другой
статьи.
5