Экологическая биотехнология

Т. Е. Бурова, О. Б. Иванченко

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ  БИОТЕХНОЛОГИЯ

 

Санкт-Петербург
ГИОРД
2018

Учебное пособие

УДК 664.001.25(07) 
ББК 30.16 
 
Б91

Рецензенты:
С. В. Мурашев — доктор технических наук, доцент кафедры технологии  
хранения и переработки сельскохозяйственной продукции  
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»;
В. И. Филиппов — кандидат технических наук, профессор кафедры  
технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом  
ФГАОУ ВО «Университет ИТМО»

Бурова Т. Е.
Б91  
Экологическая биотехнология: учеб. пособие / Т. Е. Бурова,  
О. Б. Иванченко. — СПб. : ГИОРД, 2018. — 176 с.

ISBN 978-5-98879-204-8

В издании рассмотрены проблемы экологической биотехнологии, подразумевающей использование живых организмов для переработки опасных отходов и борьбы с загрязнением окружающей среды. Методы экологической 
биотехнологии обеспечивают более эффективное по сравнению с традиционными подходами обезвреживание разнообразных токсических отходов.
Учебное пособие предназначено для бакалавров (19.03.01) и магистрантов 
(19.04.01), обучающихся по направлению «Биотехнология».

УДК 664.001.25(07)
ББК 30.16

ISBN 978-5-98879-204-8 
© Издательство «ГИОРД», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ......................................................... 6

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................ 7

Глава 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ 
БИОТЕХНОЛОГИИ ......................................................................... 9

Глава 2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД ............................................................................. 14
2.1.  Аэробные процессы очистки сточных вод ................................17
2.2.  Анаэробные процессы очистки стоков ......................................27
2.3.  Переработка отходов после очистки воды ................................29

Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА ................. 37
3.1.  Биометаногенез ................................................................................39
3.2.  Получение спирта ............................................................................54
3.3.  Жидкие углеводороды ....................................................................57
3.4.  Биологическое получение водорода ............................................59
3.5.  Биотопливные элементы и биоэлектрокатализ........................63

Глава 4. БИОГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА 
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ........................................................... 68
4.1.  Бактериальное выщелачивание ....................................................68
4.2.  Биосорбция металлов из растворов ............................................76
4.3.  Обогащение руд ................................................................................78
4.4.  Биогеотехнология обессеривания углей ....................................79
4.5.  Биогеотехнология и борьба с метаном в угольных шахтах ...80
4.6.  Биогеотехнология и повышение нефтеотдачи пластов ..........81

Глава 5. УТИЛИЗАЦИЯ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ 
ОТХОДОВ ....................................................................................... 83
5.1.  Утилизация коммунальных отходов ...........................................83
5.2.  Компостирование органических отходов ..................................88
5.3.  Биологическая переработка промышленных отходов ...........89
Отходы химической промышленности ......................................90
Отходы молочной промышленности. 
Биотехнологические аспекты переработки 
молочной сыворотки .......................................................................92
Промышленная биотехнология переработки отходов 
спиртовых заводов ...........................................................................94
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности .................98
Биоконверсия лигноцеллюлозных отходов .............................101
Отходы от производства красителей ........................................104
5.4.  Отходы биотехнологического производства ..........................107
Твердые отходы ..............................................................................108
Жидкие отходы ...............................................................................110
Газообразные отходы ....................................................................113
5.5.  Биодеградация нефтяных загрязнений ....................................113

Глава 6. ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ 
ОРГАНИЗМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ...... 116
6.1.  Принципы оценки экологического риска ................................116
6.2.  Возможное непреднамеренное влияние 
 
генетически модифицированных организмов 
 
на нецелевые организмы, экосистемы 
 
и биоразнообразие .........................................................................118
Ауткроссинг ....................................................................................120
Генетически модифицированные животные ..........................121
Генетически модифицированные микроорганизмы .............122
6.3.  Статус методов оценки возможного попадания 
генетически модифицированных микроорганизмов 
в окружающую среду ....................................................................122
6.4.  Региональная специфика оценки безопасности .....................123
6.5.  Мониторинг безопасности для здоровья человека 
и окружающей среды ....................................................................126

Оглавление

Глава 7. РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЗАЩИТЕ 
И ОЗДОРОВЛЕНИИ БИОСФЕРЫ ............................................ 130
7.1.  Очистка атмосферного воздуха..................................................135
7.2.  Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде ...........138
Участие микробных сообществ в биодеградации
ксенобиотиков ................................................................................139
Биодеградация поверхностно-активных веществ .................145
7.3. Экологический потенциал растений .........................................149
Неорганические токсиканты .......................................................152
Органические токсиканты ...........................................................153
Чужеродные соединения ..............................................................156
Углеводороды и растения .............................................................162
7.4.  Биоремедиация ...............................................................................164
7.5.  Применение экологической биотехнологии ...........................169

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................ 171

Оглавление

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АСБ — абсолютно сухая биомасса
БАВ — биологически активные вещества
БПК — биологическое потребление кислорода
ГМ — генетически модифицированный 
ГММ — генетически модифицированные микроорганизмы 
ГМО — генетически модифицированные организмы
ДДТ — 4,4′-дихлордифенилтрихлорметилметан
ДКАБ — 4,4′-дикарбоксиазобензол
ЖМО — живые модифицированные организмы 
КМС — карбоксиметилсукцинат
НТА — нитрилтриацетат 
ОДА — оксидиацетат
ОЭР — оценка экологического риска 
ПХБ — полихлорбифенилы 
ПЦР — полимеразная цепная реакция 
ХПК — химическое потребление кислорода
ЭГДА — этиленгликольдиацетат 
ЭП — электродный потенциал 

АТР — Adenosintriphosphate, аденозинтрифосфат (АТФ)
Bt — Bacillus thuringiensis
САС — Codex Alimentarius1 Commission (Комиссия Кодекс Алиментариус, ККА)
CBD — Convention on Biological Diversity (Конвенция о биологическом разнообразии)
CPB — Cartagena Protocol on Biosafety (Картахенский протокол по биобезопасности)
FAO, ФАО — Организация ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства (Food and Agriculture Organization of the United Nations)
WHO, ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения (World Health 
Organization)

1 Кодекс Алиментариус (лат. Codex Alimentarius) — пищевой, или продовольственный, 
кодекс.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с возрастающей угрозой здоровью и жизни человечества все больший вес приобретают меры снижения давления 
на окружающую среду неблагоприятных факторов, что входит 
в программу раздела науки, называемой экобиотехнологией.
Некоторые перспективы и проблемы развития этого направления включают вопросы разработки и практического использования биологических методов очистки сточных вод. В области 
биоремедиации наиболее актуальны исследования для очистки 
почв от нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов, хлорорганических соединений методами in situ. Для очистки нефтезагрязненных водоемов и акваторий разрабатываются технологии получения готовых форм биопрепаратов, повышающих 
эффективность их использования (иммобилизованные клетки, 
биофильтры, наполнители и т. д.). В области переработки твердых отходов широко используются методы компостирования, 
вермикомпостирования и вермикультивирования. Создаются 
биопрепараты, биоудобрения и другие биологические материалы для рекультивации, реабилитации, озеленения территорий, 
благоустройства урбанизированных ландшафтов, восстановления плодородия почв, защиты почв, береговых линий, инженерных сооружений и т. д. Накоплен большой опыт и продолжаются исследования в области изучения состава биоценозов 
в процессах загрязнения водоемов и почв и самоочищения их 
от поллютантов2 (в частности, от нефтезагрязнений, тяжелых 
металлов); используются специализированные популяции микроорганизмов, генно-инженерные штаммы. Развиваются селективные, чувствительные и воспроизводимые методы анализа 

2 Загрязняющее вещество (поллютант) — любое химическое вещество или соединение, 
которое находится в объекте окружающей природной среды в количествах, превышающих 
фоновые значения и вызывающих тем самым химическое загрязнение.

Введение

токсикантов в природных средах на основе биосенсоров, биотестов и биоиндикаторных систем.
В данном издании рассмотрены вопросы, связанные со специфическим применением биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, что составляет 
предмет экологической биотехнологии — новейшего подхода 
к охране и сохранению окружающей среды при совместном  
использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологий. Учебное пособие 
рекомендуется использовать при изучении дисциплин «Безопасность сырья и продуктов биотехнологии», «Экологическая био-
технология», «Сельскохозяйственная биотехнология».

Глава 1 
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

В результате промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека возникают различные изменения 
состояния и свойств окружающей среды, в том числе очень 
неблагоприятные. С развитием и интенсификацией промышленной и сельскохозяйственной деятельности в ХХ в. стали 
ощущаться пределы естественной продуктивности биосферы, — истощаются природные ресурсы, источники энергии, 
все более ощущается дефицит пищи, чистой воды и воздуха. 
Загрязнение окружающей среды во многих регионах достигло 
критического предела. Во многом все эти проблемы порождены 
научно-техническим прогрессом общества и должны решаться 
также с использованием новейших достижений.
Проблему экологии нельзя решать в масштабах одной страны или группы стран. Вредные антропогенные загрязнения, 
вырабатываемые в индустриально развитых регионах и странах, в результате естественной циркуляции водных и воздушных масс распространяются по всей территории Земли, вплоть 
до обоих полюсов, проникают в глубины океанов, достигают 
стратосферы. Глобальность данной проблемы еще в 1899 г. подчеркивал профессор К. А. Тимирязев.
Важнейшая роль в вопросах защиты и охраны окружающей 
среды принадлежит биологии. Сама экология в традиционном 
понимании является биологической дисциплиной и изучает 
взаимоотношения организмов, включая организм человека, 
между собой и окружающей средой. Дальнейшее развитие биологии и внедрение ее достижений в практику — один из главных путей выхода из надвигающегося экологического кризиса.
Большую роль играет при этом биотехнология, которая позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту 

Глава 1. Цели и задачи экологической биотехнологии

окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных 
и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду; на основе биотехнологии создаются малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных 
веществ, кормов, минерального сырья, энергии. Масштабы биологических процессов для решения природоохранных задач 
могут быть, по выражению Д. Беста (D. J. Best), «ошеломляющими».
Экология и биотехнология взаимодействуют как через продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более 
гармоничных отношений между обществом и природой.
Экологическая биотехнология сформировалась в 1980-е гг., 
а свое теперешнее короткое и емкое название — экобиотехнология — получила совсем недавно (синонимы: «биотехнология 
окружающей среды», или «природоохранная биотехнология»).
Специфическое применение биотехнологических методов 
для решения многих проблем окружающей среды (переработки 
отходов, очистки воды, устранения загрязнений), как указано 
выше, и составляет предмет экологической биотехнологии. 
Экобиотехнология — это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии 
и химических технологий.
Круг проблем, решаемых экобиотехнологией, чрезвычайно 
широк — от разработки и совершенствования методологии 
комплексного химико-биологического исследования экосистем вблизи источников техногенных воздействий до разработки технологий и рекомендаций по рекультивации почвы, 
биологической очистке воды и воздуха и биосинтезу препаратов, компенсирующих вредное влияние изменения окружающей среды на людей и животных.
Все биотехнологические процессы базируются на микробиологических процессах, и главное действующее «лицо», и инструмент, который обеспечивает прохождение тех или иных реакций, — это микроорганизмы — очень важная ветвь живого мира.

Глава 1. Цели и задачи экологической биотехнологии

Вся жизнь началась с развития микроорганизмов. Благодаря 
им стабилизировались современные циклы азота, кислорода, 
углерода, серы. От древних микроорганизмов произошли первые 
фотосинтезирующие микроорганизмы, которые обеспечили образование кислородной атмосферы на Земле и развитие высших 
растений. Но самая главная роль микроорганизмов на сегодняшний день — это деструкция. Все то, что производится живыми 
существами — микроорганизмами, растениями, животными 
и человеком, в конечном итоге утилизируется микроорганизмами, то есть разлагается до простых веществ: углекислоты, молекулярного азота, солей различных элементов. Таким образом, 
микроорганизмы — это чистильщики планеты, которые обеспечивают постоянство функционирования нашей биосферы.
Помимо использования микроорганизмов в пищевой, фармацевтической, химической промышленности и в генной инженерии, появилась возможность их применения для переработки загрязнений и отходов жизнедеятельности человека.
В первую очередь речь идет о загрязнениях, которые называются биодеградабельными, то есть способными разлагаться в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Почти 
на любое органическое вещество, не свойственное природе 
(ксенобиотик), находится микроорганизм или группа микроорганизмов, которые разлагают его до простых соединений.  
В частности, гербициды и пестициды, которые так широко применяются в сельском хозяйстве, могут разлагаться под действием микроорганизмов.
Одной из основных задач экобиотехнологии является 
разработка технологий, связанных с очисткой сточных вод. 
Сделать из грязной воды чистую можно только с помощью 
микроорганизмов в условиях активной аэрации (активного снабжения воздухом). Полученная чистая вода подходит 
для сброса в рыбохозяйственные водоемы, в окружающую 
среду после очистки — в реку, в озеро или напрямую в море, 
как, например, в Петербурге.
Есть микроорганизмы, которые живут без доступа кислорода — это анаэробные микроорганизмы, самые древние  

Глава 1. Цели и задачи экологической биотехнологии

обитатели нашей планеты. Они могут разлагать органические 
соединения без доступа кислорода, производя при этом метан 
и водород. Сегодня водород — второй энергетический биогенный субстрат, который привлекает большое внимание. Метан 
и водород являются важными альтернативными источниками энергии. Объединив усилия аэробных и анаэробных организмов, можно снизить дорогостоящую очистку сточных вод 
и обработку отходов, получая метан. Подобные технологии уже 
применяются в Москве на Курьяновской станции очистки сточных вод. 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 
непосредственно на станции.
Однако многие из созданных человеком ядохимикатов, детергентов и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, то есть для них 
требуются более усовершенствованные технологии. Обычно 
для утилизации отходов применяют комплексы микроорганизмов и специальные приборные устройства. 
Многие из созданных человеком химических веществ проявляют биологическую активность: обладают мутагенными, канцерогенными, тератогенными свойствами, нарушают структуру 
клетки. Ниже представлен ряд веществ, обладающих опасным 
для человека действием.
 
— Вещества, проявляющие канцерогенный, мутагенный 
эффект: Хлорорганические: ДДТ (4,4′-дихлордифенилтрихлорметилметан), полихлорпирен, полихлоркамфен, 
1-гексахлорбутадиен. Производные дитиокарбаминовой 
кислоты: цирам, цинеб, ТМТД (тирам). Производные карбаминовой кислоты: беномил, пиримор, бетанал. Производные мочевины: которан. Другие: хлорофос, фталофос, 
базудин, гетерофос, дихлофос, кантам, фолфет, каптофол.
 
— Вещества, вызывающие резистентность у вредителей, 
патогенов и сорняков: Инсектициды и акарициды: ДДТ, 
токсафен, эндрин, малатион, фосмет, хлорофос, арамит. 

Глава 1. Цели и задачи экологической биотехнологии

Фунгициды: медный купорос, каптан, агрозан, додин, фталан, цинеб, родан, фигон.
 
— Вещества, стимулирующие откладку яиц и размножение 
вредителей: ДДТ, меркаптофос, диметеоат, метилмеркаптофос.
Некоторые загрязняющие биосферу вещества по своему 
происхождению являются природными соединениями. Например, компонент древесины лигнин, образующийся в значительных количествах как отход целлюлозно-бумажной промышленности, — опасный поллютант. К числу загрязняющих биосферу 
веществ природного происхождения принадлежат и многие 
ароматические и галогенсодержащие углеводороды.
Колоссальную экологическую проблему представляет загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в местах их 
добычи и переработки. Однако существуют микроорганизмы, 
которые помогают получать металлы из того, что уже отработано и складировано в отвалы. При этом удается предотвратить 
загрязнение почв, грунтов, поверхностных и грунтовых вод тяжелыми металлами и дополнительно добывать из отходов ценные металлы, например золото.
Термин «биоремедиация» уже хорошо известен, например, 
в связи с очисткой очень сильно загрязненных военных полигонов, где разлилось токсичное топливо и большие участки земли 
необходимо обеззараживать. Разрабатываются эффективные 
методы экобиотехнологии для рекультивации и повторного использования территорий (полигонов), занятых твердыми бытовыми отходами и несанкционированными свалками; 
они основаны на эффективной анаэробной обработке различных органических отходов в биореакторах с получением водорода и метана.
Таким образом, цель экобиотехнологии и ее основы — природоохранной микробиологии — обезвредить последствия 
негативного влияния человека на окружающую среду и обеспечить человечеству хорошее качество проживания в экологически чистых экосистемах.