Технологии и техника для создания экологически чистых и безотходных биотехнологических производств

ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКА
ДЛЯ СОЗДАНИЯ 
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ
И БЕЗОТХОДНЫХ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОИЗВОДСТВ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М
2024

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.35(075.4)
ББК 38.761.204.4
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Технологии и техника для создания экологически чистых и безотходных 
биотехнологических производств : монография / Б.С. Ксенофонтов. — 
Москва : ИНФРА-М, 2024. — 239 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/2048107.

ISBN 978-5-16-018700-6 (print)
ISBN 978-5-16-111617-3 (online)
В монографии рассмотрены современные биотехнологические технологии 
и новая техника для решения экологических задач. Изложены теоретические 
основы культивирования микрорганизмов и наиболее распространенные 
экобиотехнологические технологии, в том числе биологической 
очистки воды, биотехнологии очистки почвы и воздуха, а также аэробной 
и анаэробной обработки осадков сточных вод и отходов, образующихся 
при переработке растительного сырья. Проанализированы возможные 
пути получения электроэнергии путем анаэробного сбраживания осадков 
сточных вод.
Предназначена для специалистов в области биотехнологии, научных 
работников, студентов старших курсов специалитета, бакалавров, магистров 
и аспирантов экологических направлений подготовки и специальностей 
технических университетов, а также всех желающих повысить свой 
уровень знаний в области биотехнологии.

УДК 628.35(075.4)
ББК 38.761.204.4

ISBN 978-5-16-018700-6 (print)
ISBN 978-5-16-111617-3 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2023

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Р е ц е н з е н т:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского 
университета дружбы народов

Введение

Обобщение отечественного опыта развития биотехнологической 
промышленности за последние примерно 40 лет показало, 
что на предприятиях этой отрасли могут быть осуществлены варианты 
безотходных производств (Новые технологические приемы, 
используемые на Киришском биохимическом заводе / В.Н. Соловьев, 
Б.С. Ксенофонтов. М.: ВНИИСЭНТИ, 1985. 23 с.). При этом 
важные природоохранные мероприятия, как например, очистка отработанных 
водных и газовоздушных потоков, а также обработка 
и утилизация отходов могут быть осуществлены в режиме экологически 
чистого и безотходного производства (Интенсификация 
технологических процессов и охрана окружающей среды при производстве 
кормовых дрожжей / В.Н. Соловьев, Б.С. Ксенофонтов; 
Министерство медицинской и микробиологической промышленности 
СССР. М.: ВНИИСЭНТИ, 1986. 32 с.).
Для осуществления таких мероприятий необходим высокий 
уровень подготовки разработчиков и специалистов — эксплуатационников 
биотехнологических производств.
В этой связи возникает необходимость более подробного изложения 
первоначальных сведений по микробиологии и биотехнологии. 
При этом поясняется, что происходящие в природных 
условиях микробиологические процессы окисления потенциально 
могут решить ряд экологических задач. Однако из-за высокой 
техногенной загрузки и отсутствия благоприятных для жизнедеятельности 
микроорганизмов условий эти процессы в природных 
условиях протекают медленно. В этой связи следует знакомить 
разработчиков с новыми способами очистки отработанных водных 
и газовоздушных потоков, почвы и грунтов, загрязненных, например, 
нефтепродуктами и тяжелыми металлами, а также уделять 
больше внимания анаэробному сбраживанию осадков сточных 
вод. При рассмотрении микробиологических технологий очистки 
почвы и грунтов следует более подробно рассматривать возможности 
использования аборигенной микрофлоры и фауны путем создания 
оптимальных условий их жизнедеятельности и указать при 
этом на невысокую эффективность использования искусственных 
штаммов микроорганизмов в процессах очистки почвы и грунтов, 
что часто использовалось в конце прошлого века в отечественной 
и мировой практике. Отметим также необходимость полноценного 
питания для аборигенных микроорганизмов и иммобилизации 
их на специальных природных сорбентах, например, на предварительно 
обработанном торфяном сырье, клиноптилолите и т.п. 
Кроме того, необходимо также использовать различные микро- 

и макроэлементы. В целом целесообразно обеспечивать не только 
полноценное питание и условия иммобилизации, но и режимы, касающиеся 
оптимального влагосодержания.
Особенность очистки газовоздушных выбросов заключается 
в нахождении эффективного искусственного штамма микроорганизмов 
для очистки от специфических органических загрязнений, 
а также в создании оптимальных условий их жизнедеятельности, 
включая и режим влагосодержания. Отечественная практика свидетельствует 
о немногочисленных примерах использования биотехнологических 
методов очистки газовоздушных выбросов. Однако 
в отдельных случаях этот способ является чуть ли не единственным. 
Об особенностях биотехнологического способа для очистки газовоздушных 
выбросов необходимо информировать слушателей, 
указывая также на его преимущества перед другими и в первую 
очередь на его природное происхождение и в большинстве случаев 
на безопасную эксплуатацию.
В практике обработки осадков все чаще используется анаэробное 
сбраживание. При этом газ, образующийся при анаэробной 
обработке осадков, является эффективным энергоносителем, что 
дает основания для создания мини-ТЭС на очистных сооружениях. 
В этом случае автономный источник электроэнергии дает возможность 
эксплуатировать очистные сооружения в аварийных ситуациях. 
Последнее обстоятельство имеет особо важное значение для 
очистных сооружений, после которых сточные воды сбрасываются 
в водоемы, например, рыбохозяйственного назначения. В последние 
годы во многих развитых странах мира интенсивно проводятся исследования 
по использованию экологически чистого биотоплива 
для двигателей внутреннего сгорания, практически не создающих 
вредных отработавших газов. Это имеет важнейшее значение для 
улучшения экологической обстановки особенно в больших городах, 
в которых автомобильный транспорт в большинстве случаев является 
основным загрязнителем атмосферного воздуха. При этом целесообразно 
также отметить прогрессивную тенденцию использования 
электромобилей.
Значимость указанных выше проблем указывает на целесообразность 
более подробного ознакомления разработчиков новых 
технологий и техники с использованием биотехнологических методов 
для защиты окружающей среды.

Глава 1
ЧЕЛОВЕК И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Окружающая среда может оказывать значительное влияние 
на жизнедеятельность человека. Особое влияние это может проявляться 
в случае повышенной загрязненности окружающей среды. 
Последнее приводит к угнетению жизнедеятельности человека.
Согласно определению, представленному в ФЗ «Об охране 
окружающей среды» № 7 от 10 января 2002 г. (ст. 1), окружающая 
среда — совокупность компонентов природной среды, природных 
и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов; 
а природная среда (далее также — природа) — совокупность 
компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных 
объектов; и в свою очередь, компоненты природной 
среды — земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, 
атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, 
а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое 
пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные 
условия для существования жизни на Земле. Если указанная 
выше совокупность компонентов не угнетает жизнедеятельность 
человека, то такие условия являются допустимыми и согласно 
указанному выше закону в целом «благоприятная окружающая 
среда — окружающая среда, качество которой обеспечивает устойчивое 
функционирование естественных экологических систем, 
природных и природно-антропогенных объектов» (http://www.
consultant.ru/document/cons_doc_LAW_171268/).
Качество окружающей среды оценивается специально введенными 
нормативами.
Согласно указанному выше закону «нормативы качества окружающей 
среды — нормативы, которые установлены в соответствии 
с физическими, химическими, биологическими и иными показателями 
для оценки состояния окружающей среды и при соблюдении 
которых обеспечивается благоприятная окружающая среда; 
нормативы допустимого воздействия на окружающую среду — 
нормативы, которые установлены в соответствии с показателями 
воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую 
среду и при которых соблюдаются нормативы качества окружающей 
среды; нормативы допустимой антропогенной нагрузки 
на окружающую среду — нормативы, которые установлены в соответствии 
с величиной допустимого совокупного воздействия всех 
источников на окружающую среду и (или) отдельные компоненты 
природной среды в пределах конкретных территорий и (или) ак-

ваторий и при соблюдении которых обеспечивается устойчивое 
функционирование естественных экологических систем и сохраняется 
биологическое разнообразие». Последнее включает в том 
числе и жизнедеятельность микроорганизмов.
Рассмотрим влияние антропогенных факторов на природную 
окружающую среду. Антропогенные факторы — это изменения, 
происходящие в окружающей среде в результате хозяйственной 
деятельности человека. Под загрязнением окружающей среды понимается 
поступление в нее любых твердых, газообразных или 
жидких веществ, микроорганизмов или тепловой, электромагнитной, 
радиационной, звуковой энергии. Виды загрязнений весьма 
многообразны. Основные из них: выбросы загрязняющих веществ 
в атмосферу; попадание в водную среду всевозможных производственных 
и коммунально-бытовых отходов; нефтепродуктов, минеральных 
солей; засорение ландшафтов мусором и твердыми отходами; 
широкое применение пестицидов; повышение уровня ионизирующих 
излучений; накопление тепла в атмосфере и гидросфере. 
Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства 
шла до недавнего времени по экстенсивному пути без учета 
экологических последствий. Химическое загрязнение — один из основных 
факторов неблагоприятного антропогенного воздействия 
на окружающую среду и ее обитателей, в том числе на микроорганизмы. 
В окружающую среду выбрасывается большое количество 
различных химических веществ, в том числе полученных путем 
синтеза. Ежегодно производятся десятки миллионов тонн неизвестных 
синтетических материалов. В почвы вносится огромное 
количество минеральных удобрений и химических веществ для защиты 
растений от вредителей, болезней и сорняков.
Одни из этих соединений не разлагаются естественным путем 
или же разлагаются частично, другие очень медленно. Неразложившиеся 
остатки радиоактивных и органических соединений 
накапливаются в различных объектах внешней среды. При этом 
возникает опасность их попадания в пищевые продукты, а с ними 
в организм человека.
В атмосферу ежегодно выбрасываются сотни миллионов тонн 
оксидов азота и серы, углекислоты, твердых и жидких взвешенных 
частиц (аэрозолей), миллионы тонн газообразных органических веществ. 
Загрязнение атмосферы приобретает глобальный характер, 
что приведет к возможному изменению климата, увеличению потока 
жесткой УФ-радиации на поверхности Земли, увеличению 
числа заболеваний среди людей.
Антропогенное загрязнение почв связано с твердыми и жидкими 
отходами различных видов промышленности, добычи полезных 
ископаемых, строительства, городского хозяйства и сельскохо-

зяйственного производства. Для РФ особое значение приобрели 
проблемы загрязнения почвы нефтепродуктами и тяжелыми металлами, 
а также бытовыми отходами.
Из всех сред обитания (атмосфера, почва, вода) наибольшим 
воздействиям со стороны человека подвержена вода. При этом 
загрязнения, выбрасываемые в атмосферу или вносимые в почву 
в трансформированном или неизменном виде, поступают в водоемы. 
За счет выпадения осадков и в период весеннего половодья 
вместе с поверхностным стоком в воду попадают загрязняющие 
вещества. Загрязнение природных вод связано также с использованием 
водных ресурсов в промышленности и сельском хозяйстве, 
в энергетике, на хозяйственно-бытовые нужды, в связи с развитием 
водного транспорта, мелиоративных преобразований и т.д. После 
использования вода возвращается в природные водные объекты, 
неся в себе следы воздействия в виде изменения химического состава, 
температуры, биологического загрязнения (множество микроорганизмов, 
в том числе и патогенных).
Для ирригации, промышленного производства, бытового 
снабжения отбирается более 10% речного стока и сбрасывается 
в водоемы ежегодно сотни миллиардов кубических метров промышленных 
и коммунальных стоков. Их нейтрализация требует 
5–10-кратного, а в отдельных случаях и большего разбавления 
чистой водой.
Способы и пути борьбы с антропогенным загрязнением окружающей 
среды разнообразны. Среди них строительство очистных 
сооружений, установка пылегазоулавливающих фильтров, создание 
безотходных и малоотходных технологий, утилизация отходов, использование 
их в качестве вторичного сырья для получения полезной 
продукции, применение замкнутых циклов водоиспользо-
вания, применение биологических методов борьбы с вредителями 
и болезнями сельскохозяйственных и лесных растений, оптимизация 
режима использования техники, поиски новых видов топлива 
и источников энергии и др. Важное значение при выборе способов 
и средств защиты окружающей среды имеет применение биотехнологических 
процессов, одним из условий успешного использования 
которых является создание оптимальных условий жизнедеятельности 
микроорганизмов.

Глава 2
МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Хорошо известно, что важнейшая особенность микроорганизмов 
заключается в их способности приспосабливаться к изменяющимся 
условиям окружающей среды. В процессе эволюции 
микроорганизмы адаптировались к самым различным экологическим 
условиям. Из литературных источников известно много 
примеров осуществления жизнедеятельности микроорганизмов 
в экстремальных условиях. Так, известны бактерии, размножающиеся 
при весьма высоких температурах, например при 65–75°C; 
микроорганизмы, растущие при минус 6°C; размножающиеся 
в среде, содержащей до 25% NaCl; бактерии, которые обитают 
в воде, охлаждающей атомные реакторы, и переносят большое облучение; 
дрожжи, живущие в меде и варенье; бактерии, размножающиеся 
в кислых средах при pH 1,0 или выдерживающие давление 
в несколько сот атмосфер и т.п. Необычайная устойчивость микроорганизмов 
к различным факторам внешней среды позволяет им 
занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте 
океана на глубине около 11 км, на поверхности ледников и снега 
в Арктике и Антарктике и высоко в горах, в почве пустынь, в атмосфере 
на высоте 20 км. Все среды биосферы буквально пронизаны 
микроорганизмами. Вездесущность микробов объясняется их уникальной 
способностью находить и утилизировать самые ничтожные 
источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. 
Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает удивительную 
адаптацию микробов к условиям обитания, гибельным для 
любых других живых существ. Исключительно интенсивная жизнедеятельность 
огромного числа разнообразных микроорганизмов 
является важнейшим фактором обеспечения динамического равновесия 
земной биосферы.
Основные среды обитания микроорганизмов в природе — почва, 
вода, воздух, животные и растительные организмы. Кожные покровы 
человека и сообщающиеся с внешней средой слизистые 
оболочки плотно колонизированы микробами. Микроорганизмы 
обитают обычно в виде сложных ассоциаций — биоценозов, представленных 
разными видами. Поддержание эволюционно сложившихся 
взаимоотношений между отдельными видами, а также 
между биоценозами и внешней средой чрезвычайно важно для 
существования всего царства протистов, в том числе и низших 
прокариот — бактерий и цианобактерий. Доказано, что бактерии 
способны самостоятельно обеспечить основные функции живого 

вещества, которые необходимы для дальнейшего существования 
биосферной оболочки нашей планеты. К таковым относят: энергетическую, 
концентрационную, деструктивную и средообразующую 
функции. Только благодаря активной деятельности бактерий реализуется 
замкнутый характер круговорота азота и углерода как 
обязательных конструктивных элементов биосферы.
Микроорганизмы могут осуществлять разрушение и обезвреживание 
различных загрязнений почвы, воды и воздуха.
Почва является естественной средой обитания микроорганизмов. 
Они находят в почве все условия, необходимые для развития: 
пищу, влагу и защиту от губительного влияния солнечных 
лучей и высушивания.
Микрофлора почвы по количественному и видовому составу 
значительно колеблется в зависимости от региональных и климатических 
условий, химического состава и физических свойств почвы, 
реакции (рН), температуры, влажности, степени аэрации. Существенно 
влияют также время года, агротехнические мероприятия, 
характер растительного покрова и многие другие факторы.
Микроорганизмы распространены по горизонтам почвы неодинаково. 
Меньше всего микроорганизмов содержится обычно 
в самом поверхностном слое почвы толщиной несколько миллиметров, 
где они подвергаются неблагоприятному воздействию солнечного 
света и высушиванию. С глубиной почвенного слоя изменяется 
видовой состав микрофлоры. В верхних слоях почвы, содержащих 
много органических веществ и подвергающихся хорошей аэрации, 
преобладают аэробные сапрофитные организмы, способные разлагать 
сложные органические соединения. Чем глубже почвенные 
горизонты, тем беднее они органическими веществами, доступ воздуха 
в них затруднен, поэтому здесь численность анаэробных бактерий 
увеличивается.
Микрофлора почвы представлена разнообразными видами бактерий, 
актиномицетов, грибов, водорослей и простейших животных.
К постоянным обитателям почвы относятся различные гнилостные, 
преимущественно спорообразующие, аэробные и анаэробные 
бактерии; бактерии, разлагающие клетчатку; нитрифицирующие, 
денитрифицирующие, азотфиксирующие, серо- и железобактерии.

Деятельность почвенных микроорганизмов играет большую 
роль в формировании плодородия почвы. Последовательно сменяя 
друг друга, микроорганизмы осуществляют процессы, определяющие 
круговорот веществ в природе. Органические вещества, 
попадающие в почву в виде остатков растений, трупов животных 
и с другими загрязнениями, постепенно минерализуются, и происходит 
самоочищение почвы. Соединения углерода, азота, фосфора 

и других элементов из недоступных для растений форм преобразуются 
микробами в усваиваемые ими вещества.
Наряду с обычными обитателями в почве встречаются и болезнетворные 
микроорганизмы, преимущественно спорообразующие 
бактерии: например, возбудители столбняка, газовой гангрены, 
пищевого отравления (ботулизма) и др., поэтому загрязнение пищевых 
продуктов почвой представляет опасность для здоровья 
человека. Патогенные бесспоровые бактерии (например, брюшнотифозные, 
дизентерийные), попадая в почву, сохраняются в ней неделями 
и месяцами, а споры бактерий и некоторые аспорогенные 
виды — годами.
Природные воды являются, как и почва, естественной средой 
обитания многих микроорганизмов, где они способны жить, размножаться, 
участвовать в процессах круговорота углерода, азота, 
серы, железа и других элементов. Численный и видовой состав 
микрофлоры природных вод разнообразен.
Состав микрофлоры подземных вод (артезианской, ключевой, 
грунтовой) зависит главным образом от глубины залегания водоносного 
слоя, его защищенности от попадания загрязнений извне. 
Артезианские воды, находящиеся на больших глубинах, содержат 
очень мало микроорганизмов. Подземные воды, добываемые через 
обычные колодцы из некоторых водоносных слоев, куда могут 
просачиваться поверхностные загрязнения, содержат обычно значительные 
количества бактерий, среди которых могут быть и болезнетворные. 
Чем ближе к поверхности расположены грунтовые 
воды, тем обильнее их микрофлора.
Поверхностные воды — воды открытых водоемов (рек, озер, 
водохранилищ и др.) — характеризуются большим разнообразием 
видов микрофлоры в зависимости от химического состава воды, 
характера использования водоема, заселенности прибрежных районов, 
времени года, метеорологических и других условий. Помимо 
постоянных обитателей, в открытые водоемы попадает много микроорганизмов 
извне. Например, в реке, протекающей в районе 
крупных населенных пунктов или промышленных предприятий, 
вода может содержать сотни тысяч и миллионы бактерий в 1 см3, 
а выше этих пунктов — всего лишь сотни или тысячи бактерий 
в таком же объеме.
В воде прибрежной зоны водоемов, особенно стоячих, микроорганизмов 
больше, чем вдали от берега. Больше микроорганизмов 
содержится также в поверхностных слоях воды, но особенно много 
их в иле, главным образом в его верхнем слое, где образуется как бы 
пленка из бактерий, играющая большую роль в процессах превращения 
веществ в водоеме. Значительно возрастает число бактерий 
в открытых водоемах во время весеннего половодья или после