Ползи за околната среда от съвременните биотехнологични и ИКТ приложения
ОСНОВНО НИВО
Последни актуализации на законодателството относно възобновяемата енергия -> Директива (ЕС) 2018/2001 на Европейския парламент и на Съвета от 11 декември 2018 г.
Съдържание
Възобновяема енергия: биотехнологията за производство на биогаз и биоетанол
Последни актуализации на законодателството относно възобновяемата енергия à Директива (ЕС) 2018/2001 на Европейския парламент и на Съвета от 11 декември 2018 г. относно насърчаването на използването на енергия от възобновяеми източници. Рамката за климата и енергетиката за 2030 г. включва общоевропейските цели и политики за периода от 2021 г. до 2030 г. Ключовите цели са:
– Намаляване на емисиите от CO2 (спрямо нивата от 1990 г.) с 40%
– Увеличаване на възобновяемите енергийни източници с 32%
– Подобряване на енергийната ефективност с 32,5%
Биогаз
Биогазът е смес от газове, получени при разграждането на органични вещества в отсъствие на кислород (анаеробно), състояща се предимно от метан и въглероден диоксид. Биогазът може да се произвежда от суровини като земеделски отпадъци, оборски тор, битови отпадъци, растителни материали, канални води, зелени отпадъци или хранителни отпадъци. Биогазът е възобновяем източник на енергия (Фиг. 1). Биогазът се счита за възобновяем ресурс, тъй като цикълът му на производство и използване е непрекъснат и не генерира чист въглероден диоксид. С нарастването на органичния материал той се преработва и използва. След това той се възстановява в непрекъснато повтарящ се цикъл. От гледна точка на въглерода, при растежа на първичния биоресурс от атмосферата се абсорбира толкова въглероден диоксид, колкото се отделя, когато материалът в крайна сметка се превръща в енергия.
Биогазът се произвежда чрез анаеробно разграждане от метаногенни или анаеробни организми, които трансформират органичните материали в затворена система, или осъществяват ферментация на биоразградими материали. Тази затворена система се нарича анаеробен танк или биотанк
Биогазът е предимно метан (CH4) и въглероден диоксид (CO2). Могат да присъстват и малки количества сероводород (H2S) и влага (Фиг. 2). След пречистване от H2S и влагата, биогазът може да се използва за производство на електрическа и топлинна енергия. По този начин, биогазът може да се използва в система ко-генератор (вид газов двигател) за преобразуване на енергията на газа в електричество и топлина.
Метанът от биогаза (след елиминиране на CO2) може да се използва като гориво и за различни отоплителни цели. Следователно, биогазът може да бъде пречистен и подобрен до стандартите за природен газ, превръщайки се в биометан.
Биогазът може да бъде произведен от голямо разнообразие от материали (суровини). Най-важна роля в процеса на производство на биогаз играят микробите, хранещи се с биомасата (виж подробности в презентацията). Материалите, които са подходящи за производство на биогаз, включват:
- биоразградими отпадъци от предприятия и промишлени съоръжения, като излишък от лактоза от производството на млечни продукти без лактоза
- развалена храна от магазините
- биоотпадъци, генерирани от потребителите
- утайки от пречиствателни станции за отпадни води
- оборски тор и полска биомаса от селското стопанство
Материалът обикновено се доставя до приемния резервоар на завода за биогаз с камион или с превозно средство за управление на отпадъците. Доставката на твърди вещества, като например био-отпадъци, след това се подлага на раздробяване, за да придобие възможно най-равномерна консистенция. На този етап, съдържащите вода хранителни вещества, получени от следващ етап в производствения процес, също се смесват със суровината, за да се намали количеството на твърдото вещество до около една десета от общия обем.
На този етап от сместа се отделят всички нежелани неразградими отпадъци, като пластмасови опаковки на негодни хранителни отпадъци от магазините. Тези отпадъци се отвеждат в съоръжение за третиране на отпадъци, където се използват за генериране на топлина и електричество. Биомасата, която е преминала през етапа на смесване до кашоподобна консистенция, се комбинира с биомасата, доставена под формата на суспензия до инсталацията за биогаз и се изпомпва в резервоара за предварително разграждане, където ензимите, секретирани от бактериите, разграждат биомасата до още по-фина консистенция. Схема на инсталация за биогаз е представена на Фиг. 3.
Остатъчните твърди вещества и течностите, генерирани при производството на биогаз, се наричат диджестат. Диджестатът влиза в реактор за пост-разграждане и след това, в резервоари за съхранение. Диджестатите са подходящи за наторяване. Диджестатите също могат да бъдат центрофугирани, за да се разделят твърдите от течните вещества.
Твърдите диджестати се използват като торове в селското стопанство или в озеленяването, а също така могат да бъдат превърнати в градинска почва чрез процес на зреене, включващ компостиране.
Диджестатите се центрофугират, за извличане на водата, необходима за смесването на био-отпадъци в началото на процеса. Това помага да се намали използването на чиста вода. Центрофугираната течност е богата на хранителни вещества, по-специално на азот, които могат да бъдат отделени допълнително с помощта на методи като технология за отстраняване и използвани като торове или хранителни източници в промишлените процеси. Метанът, който евентуално може да бъде получен от различни странични продукти/отпадъци, е показан на Фиг. 4.
Етапи в производството на биогаз. Анаеробното разграждане е многоетапен процес, при който хидролизата е една от основните стъпки. По време на хидролизата сложните неразтворими субстратни макромолекули се хидролизират от бактерии до по-прости и по-разтворими междинни съединения.
Голям брой микробни видове, действащи съвместно, са в състояние да използват органични субстрати като въглехидрати, протеини и липиди за производство на летливи мастни киселини (VFAs), които могат да бъдат превърнати в метан и въглероден диоксид от метаногенни микроорганизми. Бактериите отделят ензими, които хидролизират субстрата до малки транспортируеми молекули, които могат да преминат през клетъчната мембрана. Веднъж попаднали в клетката, тези прости молекули се използват за осигуряване на енергия и за синтеза на клетъчни компоненти. Полизахаридите се превръщат в прости захари; хидролизата на целулозата от целулазни ензими води до образуването на глюкоза; разграждането на хемицелулозата води до натрупване на монозахариди като ксилоза, глюкоза, галактоза, пентози, арабиноза и маноза, докато скорбялата се превръща в глюкоза чрез амилазни ензими. Схема на процеса и примери за микроорганизми, които участват в него е показана по-долу (Фиг. 5).
Метаногените са археи. Те могат да живеят в различни местообитания и са хетерогенна група от микроорганизми. Не притежават клетъчни ядра и следователно са прокариоти. Първоначално археите са класифицирани като бактерии, получавайки името архебактерии (в царство Archaebacteria), но този термин е излязъл от употреба. Археалните клетки имат уникални свойства, които ги отделят от другите два домена Bacteria и Eukaryota. Археите са допълнително разделени на множество признати типове. Класифицирането им е трудно, тъй като повечето от тях не са изолирани в лабораторни условия и са открити само чрез техните генни последователности в екологични проби. Археите и бактериите обикновено са сходни по размер и форма, въпреки че някои археи имат много различни форми. Въпреки това морфологично сходство с бактериите, археите притежават гени и няколко метаболитни пътища, които са по-тясно свързани с тези на еукариотите, по-специално ензимите, участващи в транскрипцията и транслацията. Други аспекти на археалната биохимия са уникални, като тяхната зависимост от етерните липиди в клетъчните им мембрани. Археите използват повече източници на енергия от еукариотите: те варират от органични съединения, като захари, до амоняк, метални йони или дори газ водород. Халотолерантните археи (Haloarchaea) използват слънчевата светлина като източник на енергия, а други видове археи фиксират въглерода, но за разлика от растенията и цианобактериите, нито един известен вид археи не извършва и двата процеса. Археите се размножават безполово чрез бинарно делене, фрагментиране или пъпкуване; за разлика от бактериите, нито един известен вид археи не образува ендоспори. Първите наблюдавани археи са екстремофили, живеещи в екстремни местообитания, като горещи извори и солени езера, без други организми. Съвременните средства за молекулярна идентификация доведоха до откриването на археи в почти всички местообитания, включително почвата, океаните и блатистите зони. Археите са особено многобройни в океаните, а археите в планктона са може би една от най-разпространените групи организми на планетата. Археите са основна част от живота на Земята. Те са част от микробиотата на всички организми. В човешкия микробиом те са важни в червата, устата и върху кожата. Тяхното морфологично, метаболитно и географско разнообразие им позволява да изпълняват редица екологични роли: фиксиране на въглероден диоксид; участие в кръговрата на азота; превръщането на органичните съединения и поддържане на микробни симбиотични и синтрофни съобщества, образуване на метан.
Широко мащабните субстрати за метаногенеза са изброени по-долу.
Фигура 6. Субстрати за метаногенеза
Биоетанол
Ще бъде направен преглед на използването на биоетанол в Европа, основните микроорганизми, използвани за производството на биоетанол (дрожди и бактерии) и техните характеристики в сравнителен аспект.
Фигура 7. Производство на етанол vs био-етанол
Етанолът се използва широко като разтворител, реагент в хранително-вкусовата промишленост и като автомобилно гориво (Фиг. 7 и 8). Производството на етанол чрез ферментация се основава на използването на суровини, микроорганизми и технологии, различни от тези, използвани за производството на алкохолни напитки (вино и бира), за да се реализира максимален добив от етанол в най-кратки срокове и с най-ниски разходи. Деветдесет и пет процента от действителното производство на етанол в света е БИОЕТАНОЛ (процес на ферментация на захари), докато само 5% се произвеждат чрез химическия процес на взаимодействие на етилен с водни пари
Фигура 8. Употреба на био-етанол на пазара на ЕС
Биоетанолът е основното гориво, използвано като заместител на бензина за автомобилите. Етанолът или етиловият алкохол (C2H5OH) е бистра безцветна течност, той е биоразградим, с ниска токсичност и причинява слабо замърсяване на околната среда, ако се разлее. Етанолът изгаря с образуването на въглероден диоксид и вода. Етанолът е високооктаново гориво и е заменил оловото като октанов подобрител в бензина. Чрез смесване на етанол с бензин може също така да се окисли горивната смес, така че да изгаря по-пълно и да се намалят замърсяващите емисии. Етаноловите горивни смеси се продават широко в Съединените щати. Най-често срещаната смес е 10% етанол и 90% бензин (E10). Двигателите на превозните средства не изискват никакви модификации, за да работят на E10; гаранциите за превозните средства също не се засягат. Само превозните средства с гъвкаво гориво могат да работят с до 85% етанол и 15% бензинови смеси (E85).
Основните източници на захари, необходими за производството на етанол, се осигуряват от т.нар. горивни или енергийни култури. Тези култури се отглеждат специално за използване като енергиен източник и включват зърнени, царевични и пшенични култури (1-во поколение биоетанол), отпадъчна слама, върби и тополи, горски и селскостопански отпадъци, остатъци от производството на целулоза, твърди битови отпадъци (2-ро поколение биоетанол), и 3-то поколение биоетанол, получен от биомаса от водорасли, включително микроводорасли и макроводорасли (Фиг. 9).
Фигура 9. Първо, второ и трето поколение биоетанол
Ползите от биоетанола. Биоетанолът има редица предимства пред конвенционалните горива. Той се получава от възобновяем ресурс, т.е. растителни култури, а не от ограничен ресурс и културите, от които се добива, могат да растат добре в Европа (като зърнени храни, захарно цвекло и царевица). Друго предимство пред изкопаемите горива са емисиите на парникови газове. Пътната транспортна мрежа е отговорна за 22% от всички емисии на парникови газове и чрез използването на биоетанол, някои от тези емисии ще бъдат намалени, тъй като горивните култури абсорбират CO2, който отделят при растежа си. Също така, смесването на биоетанол с бензин ще помогне за удължаване на намаляващите доставки на петрол и за осигуряване на по-голяма сигурност на горивото, като се избягва тежката зависимост от страните – производителки на петрол. Като насърчава използването на биоетанол, икономиката на селските райони също ще получи тласък от отглеждането на необходимите култури. Биоетанолът също е биоразградим и далеч по-малко токсичен от изкопаемите горива. В допълнение, използването на биоетанол в по-старите двигатели може да помогне за намаляване на количеството въглероден оксид, произвеждан от превозното средство, като по този начин се подобри качеството на въздуха. Друго предимство на биоетанола е лекотата, с която той може лесно да бъде интегриран в съществуващата горивна система на автомобилния транспорт. В количества до 5%, биоетанолът може да се смесва с конвенционално гориво, без да се налага модификация на двигателя.
Биотанолът може да се произвежда от биомаса чрез процесите на хидролиза и ферментация на захари. Отпадъците от биомаса съдържат сложна смес от въглехидратни полимери от клетъчните стени на растенията като целулоза, хемицелулоза и лигнин. За да се произвеждат захари от биомасата, тя се обработва предварително с киселини или ензими, за да се намали размерът на суровината и да се наруши структурата на растенията. Целулозните и хемицелулозните части се разграждат (хидролизират) от ензими или разредени киселини до захароза, която след това се ферментира до етанол. Лигнинът, който също присъства в биомасата, обикновено се използва като гориво за котлите в производствените инсталации за етанол.
Има три основни метода за извличане на захари от биомаса: хидролиза с концентрирана киселина, хидролиза с разредена киселинна и ензимна хидролиза. Първият работи чрез добавяне на 70-77% сярна киселина към изсушена биомаса, съдържаща до 10% влага. Киселината се добавя в съотношение 1,25 части киселина към 1 част биомаса и температурата се контролира до 50 °C. След това се добавя вода за разреждане на киселината до 20-30% и сместа отново се загрява до 100 °С за 1 час. След това гелът, получен от тази смес, се пресова, за да се освободи киселата захарна смес и киселинната и захарната част в сместа се разделят на хроматографска колона. Процесът на хидролиза с разредена киселинна е един от най-старите, прости и най-ефективни методи за производство на етанол от биомаса. Разредената киселина се използва за хидролиза на биомасата до захароза. Първият етап включва използване на 0,7% сярна киселина при 190 °C за хидролиза на хемицелулозата, присъстваща в биомасата. Вторият етап е оптимизиран, за да се получи по-устойчивата целулозна фракция. Това се постига чрез използване на 0,4% сярна киселина при 215 °C. След това, течните хидролизати се неутрализират и изолират. Прилагането на киселинна хидролиза на биомасата до захароза може да се замени с използването на ензими за разграждане на биомасата по подобен начин.
Царевицата, един от най-използваните селскостопанските източници за получаване на етанол, може да се преработи в етанол чрез сухо смилане или чрез мокро смилане. В процеса на мокро смилане царевичния кочан се накисва в топла вода, което спомага за разграждането на протеините и освобождаването на скорбялата от царевицата и спомага за омекотяване на кочана за процеса на смилане. След това, царевицата се смила, за да се получат зародишни и скорбелни продукти и фибри. Зародишът се извлича, за да се получи царевично масло, а скорбялната фракция се подлага на центрофугиране и захарифициране, за да се получи влажна глутенова паста. След това етанолът се екстрахира чрез процес на дестилация. Процесът на мокро смилане обикновено се използва във фабрики, произвеждащи няколкостотин милиона галона етанол всяка година. Процесът на сухо смилане включва почистване и натрошаване на царевичното зърно на фини частици с помощта на механични мелници. Продуктът е прахообразна смес с консистенция на брашно. Тази смес съдържа царевичен зародиш, скорбяла и фибри. За да се получи захарен разтвор, сместа след това се хидролизира или разгражда до захароза с помощта на ензими или разредена киселина. След това, сместа се охлажда и се добавят дрожди, за да ферментира до етанол.
Ферментация на захари
Процесът на хидролиза разгражда целулозната част от биомасата или царевицата до захарни разтвори, които след това могат да бъдат ферментирани до етанол. Към разтвора се добавят дрожди и сместа се загрява. Дрождите съдържат ензим, наречен инвертаза, който действа като катализатор и помага за превръщането на захарозата в глюкоза и фруктоза.
Фигура 10. Ферментация на захари от дрожди
Основните характеристики на микроорганизма, който ще се използва в промишленото производство на етанол са:
– високи моларни добиви коефициенти (молове произведен етанол/молове консумирана захар)
– висока продуктивност (молове произведен етанол /време × обем на културата) mol/Lh или g/Lh
– високи добивни коефициенти (грам произведен етанол/обем култура, ≥ 120 g/L) g/L
– висока толерантност към етанол
– възможно най-ниско производство на странични продукти, получени от странични ферментации (например, глицерол)
Дрожди за ферментативно получаване на биоетанол: Дрождите играят съществена роля в производството на биоетанол, като ферментират широк спектър от захари до етанол. Те се използват в промишлени мащаби поради ценните си качества по линия на добива от етанол (> 90,0% теоретичен добив), толерантност към етанол (> 40,0 g/L), производителност на етанол (> 1,0 g/L/h), растеж на прости, евтини среди и неразреден ферментационен бульон с резистентност към инхибитори и забавяне на замърсителите от условията на растеж. Като основен компонент на ферментацията, дрождите влияят върху количеството и добива на етанол. Saccharomyces cerevisiae е най -широко използвания дрождеви представител. От хилядолетия S. cerevisiae се използва в производството на алкохол, особено в пивоварната и винената промишленост. Този вид поддържа ниски разходи за дестилация, тъй като дава висок добив на етанол, висока производителност и издържа на висока концентрация на етанол. В наши дни дрождите се използват за получаване на горивен етанол от възобновяеми енергийни източници. Някои щамове дрожди, принадлежащи към вида Pichia stipitis, S. cerevisiae и Kluyveromyces fagilis, са докладвани като добри производители на етанол от различни видове захари. S. cerevisiae проявява толеранс към широк диапазон на рН, което прави процеса по-малко податлив на контаминация. Хлебните дрожди традиционно се използват като стартерна култура при производството на етанол, поради ниската си цена и готова наличност. Въпреки това, хлебните дрожди и други щамове S. cerevisiae не успяват да се конкурират с дрождите от див тип, които са контаминанти по време на промишлените процеси. Стресови условия като повишаване на концентрацията на етанол, температура, осмотичен стрес и бактериално замърсяване са причините, поради които дрождите не могат да оцелеят по време на ферментацията. Флокулентни дрожди също се използват за ферментационно производство на етанол, тъй като улесняват постферментационната обработка по време на процеса, позволяват работа при висока плътност на клетките и реализират по-висока обща продуктивност. Това намалява разходите за изолиране на клетките, тъй като те се отделят лесно от ферментационната среда без центрофугиране. Съществуват общи предизвикателства пред дрождите по време на ферментацията на захарите, като повишаване на температурата (35-45 °C) и концентрацията на етанол (над 20%). Скоростта на растеж на дрождите и метаболизма се ускоряват с повишаване на температурата до достигането на оптимална стойност. Повишаването на концентрацията на етанол по време на ферментацията може да причини инхибиране на растежа и жизнеспособността на микроорганизмите. Неспособността на S. cerevisiae да расте в среда, съдържаща високо ниво на алкохол, води до инхибиране на производството на етанол. Другите проблеми при ферментацията на биоетанол от дрожди са свързани със способността им да ферментират пентози. S. cerevisiae е най-често използваният представител в производството на биоетанол. Той обаче може да ферментира само хексози, но не и пентози. Само някои дрожди от родовете Pichia, Candida, Schizosaccharomyces и Pachysolen са способни да ферментират пентози до етанол. Ефективността на производството на етанол в промишлен мащаб ще се увеличи чрез използване на дрожди, които са толерантни към инхибиторите. Общите предизвикателства на дрождите могат да бъдат преодолени, като се използват устойчиви на етанол и термотолерантни дрожди. Щамовете, устойчиви на етанол и термотолерантните такива, които издържат на стресови условия, могат да бъдат изолирани от природни източници като почва, вода, растения и животни. Етаноловата ферментация при висока температура е полезен процес, тъй като селекционира термоустойчиви микроорганизми и не изисква разходи за охлаждане и целулаза. Например, К. marxianus е термотолерантен дрождеви вид, който е способен да коферментира както хексозна, така и пентозна захар и може да оцелее при температура от 42-45 °C.
Zymomonas mobilis за ферментивно получаване на биоетанол: Zymomonas mobilis е Грам-отрицателна, факултативна анаеробна, неспорулираща, пръчковидна бактерия с единичен, полярно разположен флагелум. Това е единственият вид от рода Zymomonas. Той има забележителни способности за производство на биоетанол, които надминават дрождите в някои аспекти. Първоначално е изолиран от алкохолни напитки като африканското палмово вино, мексиканско пулке, а също и като замърсител на сайдер и бира (болест на сайдер и разваляне на бира) в европейските страни. Zymomonas mobilis разгражда захарите до пируват, използвайки пътя на Ентнер-Дудеров. След това, пируватът се ферментира, за да се получат етанол и въглероден диоксид като единствени продукти (аналогично на дрождите). Предимствата на Z. mobilis пред S. cerevisiae по отношение на производството на биоетанол са:
- по-голямо усвояване на захари и добив на етанол (до 2,5 пъти по-висок),
- по-ниска продукция на биомаса,
- по-висок толеранс към етанол, до 16% (v/v),
- не изисква контролирано добавяне на кислород по време на ферментацията.
Въпреки тези привлекателни предимства, няколко фактора възпрепятстват търговската употреба на Z. mobilis в производството на етанол от целулоза. Най-голямото препятствие е, че неговият субстратен диапазон е ограничен до глюкоза, фруктоза и захароза. Z. mobilis от див тип не може да ферментира С5 захари като ксилоза и арабиноза, които са важни компоненти на лигноцелулозните хидролизати. За разлика от Е. coli и дрождите, Z. mobilis не е толерантен към токсични инхибитори, присъстващи в лигноцелулозните хидролизати като оцетна киселина и различни фенолни съединения. Концентрацията на оцетна киселина в лигноцелулозни хидролизати може да достигне до 1,5% (w/v), което е доста над прага на толерантност на Z. mobilis. Генетично конструиран Z. mobilis би могъл да преодолее присъщите му недостатъци и следователно, да разшири обхвата на субстратите си, за да включи C5 захари като ксилоза и арабиноза. Устойчиви на оцетна киселина щамове на Z. mobilis са разработени чрез рационални методи на метаболитното инженерство, техники на мутагенеза или адаптивна мутация. Нещо повче, използван е екстензивен процес на адаптация за подобряване на ферментацията на ксилоза в Z. mobilis. Чрез адаптиране на щам във висока концентрация на ксилоза настъпват значителни промени в метаболизма му. Една забележима промяна е намалените нива на ксилитол, страничен продукт от ксилозната ферментация, който може да инхибира метаболизма на ксилозата в щама. Интересна характеристика на Z. mobilis е, че цитоплазмената му мембрана съдържа хопаноиди, пентациклични съединения, подобни на еукариотни стероли. Това му позволява да има изключителна толерантност към етанола в околната среда, около 13%.
Сравнение между производството на биоетанол от S. cerevisiae и Z. mobilis е показано на Фиг. 11.
Фигура 11. Сравнение между различните микробни агенти, отговорни за ферментационното получаване на биоетанол
Биотехнология за ремедиация на замърсени места
Отпадъчни води
Фиг. 12. Наличие и употреба на сладка вода
Водата е ресурс, който трябва да бъде защитен. Вижте по-долу основните резервоари на сладка вода на земята и някои от причините те бавно да намаляват. Почти 70 % от водата днес се консумира за селското стопанство, около една четвърт е за търговска употреба, а приблизително 10 % се използват за битови нужди. Следователно, основният сектор, който използва вода, е селското стопанство/земеделието. Водата за селскостопански нужди се използва главно за напояване, както и за пестициди и торове и за животновъдство. Има три източника на селскостопански води: i) подземни води от подземни кладенци; ii) повърхностни води, получени от отворени канали, потоци, канавки за напояване и отклонения от резервоари; iii) дъждовна вода, която обикновено се събира в бъчви, вани и големи цистерни. Водата често се отравя. Основните причини за отравянето са: битова употреба на вода (органични вещества, повърхностно активни вещества …), селско стопанска и промишлена употреба на вода (торове и пестициди, вода, получена от промишлени процеси), атмосфера (замърсяване на дъждовната вода с токсични вещества, присъстващи в атмосферата, с произход от индустрия, самолети, двигатели на моторни превозни средства).
Директива 2000/60/ЕО на Европейския парламент определи рамка за действия на Общността в областта на водната политика. Това законодателство установява рамка за защита на повърхностни води във вътрешността на континентите, крайбрежните води и подземните води. Целите на директивата са:
– защитата срещу по-нататъшно влошаване;
– подобряване на състоянието на екосистемите;
– насърчаване на устойчивото потребление на вода;
– намаляване на замърсяването на подземните води;
– намаляване на изхвърлянията;
– смекчаване на последиците от наводнения и суши.
Очистването на отпадъчните води се осъшествява чрез различни пречиствания, които често се прилагат в последователност: първично, вторично (биологично), третично третиране, както е показано на схемата) (Фиг. 13 и 14).
Фигура 13 (горе ) и 14 (долу). Първично, вторично и третично третиране за биологично очистване на отпадъчните води
Третирането с активна утайка е един от най-често използваните процеси за вторично пречистване на отпадъчни води с битов и промишлен произход. Това е процес на биологично пречистване със суспензионен растеж, използващ микробна култура с висока плътност в суспензия за биоразграждане на органичен материал при аеробни условия и спонтанно образуване на биологични флокули (наречени активна утайка). Дифузното или механично аериране поддържа аеробната среда в реактора. Типичните времена на задържане са 5-14 часа в конвенционалните танкове, като се увеличават до 24-72 в системите с ниска скорост. Процесът на третиране с активна утайка зависи от аеробното биологично действие (Фиг. 15). Микроорганизмите разграждат сложните органични съединения до прости молекули, включително вода и CO2. Този процес води до отстраняване на разтворими и суспендирани органични вещества от отпадъчните води. Растежът на микроорганизми в присъствието на разтворен кислород премахва по-голямата част от замърсителите; от своя страна протозоите растат и се хранят с тези организми. Полученият баланс е от жива култура в суспензионна форма в активните утайки. Основните елементи на системата включват резервоар за аерация (вторично пречистване), в който отпадъчните води се смесват старателно с непрекъснато активирана утайка и кислород. От тук процесът преминава в резервоар за избистряне (вторично утаяване), където утаената утайка се отстранява от пречистената вода, за да се рециклира чрез възвратните помпи за активна утайка. За да работи тази система, трябва да бъдат изпълнени две изисквания: устройството за аерация трябва да може да пренася както кислород от атмосферата към течността, така и да разпределя този кислород през отпадъчните води към суспендирания жив микроорганизъм. Този тип система е подходяща за отпадъци с ниска якост, обикновено от порядъка на 50-200 mg L-1 БПК. Може да се приложи и предварително или последващо пречистване на отпадъчните води. След аерационния резервоар сместа от микроорганизми и отпадъчни води (смесен разтвор) се влива в утаяващ се басейн или утаител, където утайката се оставя да се утаи. Част от обема на утайката непрекъснато рециркулира от утаителя като Върната Активна Утайка обратно в аерационния резервоар, за да се гарантира, че в резервоара за аерация се поддържат подходящи количества микроорганизми. Микроорганизмите отново се смесват с входящите отпадни води, където се реактивират, за да консумират органични хранителни вещества. След това процесът започва отново.
Процесът на третиране с активна утайка при подходящи условия е много ефективен. Той премахва 85 до 95 процента от твърдите вещества и намалява биохимичното потребление на кислород (БПК) за приблизително същото количество. Ефективността на тази система зависи от много фактори, включително климата и характеристиките на отпадъчните води. Токсичните отпадъци, които попадат в системата за пречистване, могат да нарушат биологичната активност. Отпадъци, съдържащи големи количества сапуни или детергенти могат да причинят прекомерно образуване на пяна и по този начин да създадат естетически проблеми. В райони, където се комбинират промишлени и отходни отпадъци, промишлените отпадъчни води често трябва да бъдат предварително пречиствани, за да се отстранят токсичните химични компоненти, преди да се заустят в процеса на третиране с активна утайка. Независимо от това, микробиологичното пречистване на отпадъчните води е най-естественият и ефективен процес за отстраняване на отпадъците от водата.
Микробни популации в активни утайки: Микробното съобщество, участващо в процеса на биологично пречистване, образува флокулни агломерати, които се наричат активни утайки. Активната утайка на вторична пречиствателна станция е микробна култура, която се развива около органични и неорганични частици и метаболизира органичното вещество, присъстващо в отпадъчните води. Флокулите с активна утайка са склонни да се утаяват във „вторичната“ фаза на утаяване поради гравитацията. Няколко групи микроорганизми са отговорни за процеса на прeчистване:
Бактериите са основно отговорни за отстраняването на органичните хранителни вещества от отпадъчните води. Те също така образуват лепкав слузест слой около клетъчната си стена, който им позволява да се слепват заедно, за да образуват био-твърди вещества или утайки, които след това се отделят от течната фаза. Успешното отстраняване на отпадъците от водата зависи от това колко ефективно бактериите консумират органичния материал и от способността на бактериите да се слепват, да образуват флокули и да се утаяват от течността. Способността за флокулиране (натрупване) на инактивираната утайка от микроорганизми им позволява да се натрупват, за да образуват твърди маси, достатъчно големи, за да се утаят на дъното на утаяващия се басейн.
ГЪБИТЕ също са хетеротрофни организми, подпомагащи разграждането на органичните вещества.
Протозоите играят решаваща роля в процеса на третиране, като премахват и усвояват свободно плуващи бактерии и други суспендирани частици. Това подобрява прозрачността на отпадъчните води. Подобно на бактериите, някои протозои се нуждаят от кислород, някои се нуждаят от много малко кислород, а някои могат да оцелеят без кислород. Типовете протозои са класифицирани, както следва:
Амеби à Слаб ефект върху третирането и отмиране с намаляване на количеството храна
Флагелати à Хранене предимно с разтворими органични хранителни вещества
Цилиати à Избистрят водата чрез отстраняване на суспендирани бактерии.
Ротиферите и нематодите са многоклетъчни организми, които са по-големи от повечето протозои и не отстраняват основно органичния материал от отпадъчните води. Въпреки че могат да се хранят с бактерии, те също се хранят с водорасли и протозои. Доминация на метазоите обикновено се среща в системи с по-продължително функциониране; а именно системите за пречистване на лагуни. Въпреки че техният принос в системата за третиране на активна утайка е малък, тяхното присъствие е индикатор за състоянието на системата за пречистване.
В допълнение към инсталациите за активна утайка има и други видове вторични процеси на пречистване на отпадъчни води. Някои от тях могат да бъдат ПРОЦЕСИ С ИМОБИЛИЗИРАНИ КЛЕТКИ, както е посочено на Фиг. 16.
Фигура 16. Технологии за експлоатация на отпадъчни води с имобилизирани клетки
Перколационните филтри са технология за биологично пречистване чрез микроорганизми, които се развиват в аеробна среда върху подходящи поддържащи материали, през които се просмукват канализационните води. Перколиращият филтърен резервоар се пълни с инертни, естествени или синтетични материали (например, камъни), през които се подават отпадъчните води от по-горе. ЕТАПИТЕ НА ПРЕЧИСТВАНЕ включват: 1) Първично третиране за предотвратяване на запушване на леглото; 2) Образуване на биофилма (с дебелина 3-4 мм); 3) Отделяне на клетки от биофилма и поставянето му обратно; 4) Крайна утайка. Основните предимства на тази технология са ниските разходи за настройка и поддръжка и факта, че те могат да понасят промяна в органичното натоварване на входящия поток. Основните недостатъци включват големите площи за настройка и проблема с лошите миризми. Биодисковете са модифицирана версия на перколиращите филтри, при които повърхностите, носещи биофилма, се въртят около оста си, наполовина потопени в течността, която ще се обработва; въртенето позволява окисляването на биомасата, залепнала върху диска. Анаеробните системи работят добре, когато входният дебит е нисък и органичният товар, постъпващ в системата, е достатъчно висок. Необходимата ефективност на пречистването не е висока (анаеробните микроорганизми се характеризират с по-ниска скорост на растеж и по-бавен метаболизъм в сравнение с аеробните, така че органичното вещество не се разгражда напълно). Тези условия са типични за някои промишлени отпадъчни води; анаеробните реактори не работят добре за пречистване на мащабни битови отпадъци.
Друга важна система за пречистване на отпадъчните води е фитодепурацията (Фиг. 17), която е: технология на пречистване, характеризираща се с биологично третиране, при което растенията, растящи в наситена с вода почва, играят ключова роля, подпомогната от директното действие на бактериите, които колонизират кореновата система и подложката. Тези третирания се разглеждат както като алтернатива, така и в подкрепа на традиционните системи, базирани на биологични процеси и химични и физични реакции. Терминът „влажни зони“ обозначава системите за „фитодепурация“ на отпадъчни води, предназначени да създават изкуствено същите екологични условия, които естествено се установяват във водни райони. Системите за „фитодепурация“, са проектирани и изградени за възпроизвеждане на естествени самопочистващи процеси в контролируема среда. В сравнение с естествените влажни зони, системите за фитодепурация позволяват избор на мястото, гъвкавост в размерите, контрол на хидравличните потоци и време на задържане. Функциите за фитодепурация могат да бъдат предпочитани и допълнително експлоатирани с подходящи стратегии, като избор на растителни видове и субстрат, и контрол на потока вода. Със системите за фитоочистване замърсителите се отстраняват чрез комбинация от химични, физични и биологични процеси. Най-ефективните процеси са утаяване, преципитация, адсорбция, асимилация от растенията и микробна активност. Технологията за фитодепурация добавя адсорбиращата способност на средата към традиционното биологично окисляващо пречистване (филтриращо действие от корените на растенията, което също осигурява голяма повърхност, подходяща за развитие на микробни маси, участващи в третирането) и премахване на хранителни вещества, поради растежа им. На Фиг. 18 са описани различни стратегии:
Фигура 17. Общи характеристики на фитодепурацията
Плаващите макрофити, в т.ч. водният зюмбюл (Eichhornia crassipes), са доминиращите инвазивни организми в тропическите водни системи и те могат да играят важна роля за промяна на газообмена между вода и атмосфера. Хидрофитите са растения, които живеят във вода и се приспособяват към заобикалящата ги среда. Те или остават напълно потопени във водата, или повечето от частите на тялото им остават под водата. На фигурата можете да видите няколко примера за възникваща хидрофитна система
Фигура 18. Различни стратегии за фитодепурация
Контаминирани почви
Какво представляват ксенобиотичните съединения (Фиг. 19)?
Фиг. 19. Определение за ксенобиотици
Каква съдба могат да имат в околната среда (Фиг. 20)?
Фигура 20. Съдба на ксенобиотиците в околната среда
Ксенобиотиците не са непременно външни за биосферата молекули, а могат да бъдат и естествени молекули, присъстващи в неестествени концентрации в околната среда. Те не са непременно токсични молекули, но като цяло са неподатливи на биоразграждането.
Антропогенните молекули могат да произлизат от различни източници:
1) Петрохимична промишленост: – горива (алифатни и ароматни въглеводородни смеси), – чисти химикали за химическа / фармацевтична промишленост (алкохоли, етери, естери, алдехиди, често заместени с Cl-, амино или нитро групи)
2) Целулозо-хартиена промишленост: използва дървесината като суровина и произвежда целулоза, хартия и други продукти на целулозна основа. – избелването на хартия с продукти на основата на хлор произвежда халогенирани молекули, включително хлоро-лигнин
3) Индустрия за синтетична пластмаса: стирен, винилхлорид, разтворители, омрежващи агенти за производство на полимери.
4) Пестицидна промишленост: бензолни и хетероциклични производни, карбамид, фосфорорганични съединения
5) Фармацевтична и козметична индустрия
6) Текстилна промишленост: реактиви за производство на синтетични влакна, детергенти за омекотяване на влакна и пестициди за борба с насекоми/молци
7) Бояджийска промишленост
8) Домашна употреба на химикали (продукти за лична хигиена, почистващи продукти, …)
Типичен пример за естествени молекули, присъстващи в неестествени концентрации са отпадъчните води от маслиновите мелници: те се получават от смилане на маслини за производство на маслиново масло, но имат високо ХПК (виж по-долу) и трябва да бъдат третирани, преди да бъдат изхвърлени в околната среда.
Необходими са отговори на няколко въпроса, преди да се реши дали замърсената почва може да бъде подложена на биоремедиационна обработка. Първият аспект, който трябва да се вземе предвид, е дали говорим за хронично замърсена почва или наскоро е настъпило внезапно замърсяване. В първия случай може да отнеме известно време, за да се реши какво да се предприеме, да се проучи задълбочено ситуацията, да се направят някои предварителни лабораторни тестове и да се предприеме най-добрата стратегия. Във втория случай трябва да се действа незабавно, следвайки опита, който е натрупан за едни и същи замърсители и почви.
Моля, прочетете въпросите, на които трябва да получите отговор, преди да РЕШИТЕ КОЯ СТРАТЕГИЯ ДА ПРИЛОЖИТЕ (Фиг. 21).
Фигура 21. Как да решим коя биоремедиационна стратегия и най-добрата за вашата контаминирана почва
Голям набор от технологии за биоремедиация може да се използва за обеззаразяване на замърсени места (Фиг. 22).
Фигура 22. In situ и ex situ биоремедиационни техники
IN SITU означава, че почвата не се отстранява от първоначалното си местоположение и се третира на същото място, където е настъпило замърсяването.
ЕСТЕСТВЕНО АТЕНЮИРАНЕ: в този термин са включени „различни физични, химични или биологични процеси“. Тези процеси при благоприятни условия действат без човешка намеса за намаляване на концентрацията, токсичността и подвижността на замърсителите в почвата или подпочвените води. In situ процесите включват биоразграждане. Направен е точен мониторинг на процеса, за да се гарантира, че почвата е възстановена. Използването на естествено атенюиране често се предлага като лечебен разтвор от бензол, толуен, етилбензол и ксилен (BTEX) Съвсем наскоро беше предложено естествено атенюиране за хлорирани разтворители, нитроароматни съединения, тежки метали и други замърсители, за които научното разбиране и опит в областта са достатъчно стабилни. Естественото атенюиране се прилага, когато има солидни доказателства, че процесите му трансформират замърсителите към безвредни продукти.
БИОАУГМЕНТАЦИЯ: добавяне на микробни култури, за да се ускори скоростта на разграждане на замърсител. Микроорганизми, нормално присъстващи в замърсените зони, могат да разграждат замърсителите, но тяхното действие може да бъде неефективно и бавно. Биоаугментацията изисква изучаване на локалните сортове, присъстващи на мястото, за да се определи дали е възможна биостимулация. Същите местни бактериални култури могат да бъдат изолирани, култивирани и внедрени на мястото, за да се засили разграждането на замърсителите. Ако местните сортове нямат метаболитни способности да извършват процеса на ре медиация, могат да бъдат въведени екзогенни сортове с различни пътища на разграждане.
БИОСТИМУЛАЦИЯ: добавяне на хранителни добавки за местната микробиота за насърчаване на нейния метаболизъм. Обикновено се отнася до добавяне на ограничаващи скоростта хранителни вещества като фосфор, азот, кислород, донори на електрони към силно замърсени места, за да се стимулират съществуващите бактерии да разграждат опасните и токсични замърсители. Добавянето на тези хранителни вещества подобрява потенциала за разграждане на местните микроорганизми. Сред всички техники за биоремедиация, биостимулацията се счита за най-ефективния метод за ремедиация на въглеводороди, особено петролни продукти и неговите производни. Това се дължи най-вече на наличността на източника на въглерод, който е едно от ограничаващите скоростта хранителни вещества, необходими на местните микроорганизми за тяхната метаболитна активност от петролните замърсители. В допълнение към споменатите ограничаващи скоростта хранителни вещества, внедряването на други органични вещества, богати на хранителни вещества, също може да задейства процеса на ремедиация. В този контекст е показано, че добавянето на био-твърди вещества (богата на хранителни вещества органична материя), получени от пречистването на битови отпадъчни води и неорганични торове, богати на азот и фосфор, може да подобри и ускори скоростта на разграждане на петролните въглеводороди.
БИООБЕЗВЪЗДУШАВАНЕ: наричано още „Подобрено обезвъздушаване на почвата“ е in situ технология, базирана на естественото стимулиране на местната биологична активност с въвеждането на кислород чрез аерирана течност; успешно се прилага за всяко аеробно биоразградимо органично вещество, по-специално за ремедиация на места, замърсени с петролни деривати. Приемът на въздух е с ниска скорост на потока, тъй като е аранжиран само да осигурява кислород, необходим за поддържане на микробната активност. В замърсената зона токсичните съединения се отстраняват от въздушния поток, докато органичните съединения се биоразграждат аеробно. Въздухът се впръсква директно през една или повече дюзи, свързани с вакуумни помпи, което осигурява принудителната циркулация на въздуха в ненаситена замърсена почва. Прилагат се и пасивни системи за биовентилация, които използват естествения обмен на въздух за транспортиране на кислород, отгоре на външния вентилационен отвор е инсталиран еднопосочен вентил, който позволява навлизането на въздух само когато налягането в замърсената почва е по-високо от атмосферното.
Фигура 23. Фиторемедиационна технология
ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ: третиране на замърсена почва с използване на растения за почистване на замърсена с опасни замърсители почва (Фиг. 23). По-правилна е дефиницията „използването на зелени растения и свързаните с тях микроорганизми, заедно с подходящи изменения на почвата и агротехнически техники за ограничаване, премахване или обезвреждане на токсичните замърсители на околната среда“, тъй като растенията действат в синергия с ризосферните микроорганизми, които много често си сътрудничат с растенията при реализирането на процеса. Фиторемедиацията е предложена като икономически ефективен подход на растителна основа за ремедиация на околната среда, който се възползва от способността на растенията да концентрират елементи и съединения от околната среда и да детоксикират различни съединения. Концентриращият ефект е резултат от способността на някои растения, наречени хиперакумулатори, да биоакумулират химикали. Ефектът на ремедиация е съвсем различен. Токсичните тежки метали не могат да се разграждат, но органичните замърсители могат да бъдат и обикновено са основните цели за фиторемедиацията. Няколко полеви изпитания потвърдиха възможността за използване на растения за почистване на околната среда.
EX SITU означава, че почвата се отстранява от първоначалното си място и се третира много близо до мястото, където е настъпило замърсяването (on site) или далеч (off site).
БИОЛОГИЧНО РЕКУЛТИВИРАНЕ: това е пълномащабна технология за биоремедиация, която изисква изкопни работи и поставяне на замърсените почви, седименти или активни утайки на място, където те могат да бъдат третирани; това обикновено е технология за ремедиация on site, използвана за подобряване на микробното разграждане на опасни съединения. Обикновено за контрол на излугването на замърсители под земята се използват подложки и пластмасови капаци, за да се избегне замърсяване на водоносните хоризонти. Почвените условия често се контролират, за да се оптимизира скоростта на разграждане на замърсителите, по-специално:
- Съдържание на влага (обикновено чрез напояване или пръскане).
- Аериране (чрез обработване на почвата с предварително определена честота, почвата се смесва и аерира).
- pH (буфериран близо до неутрално рН чрез добавяне на натрошен варовик или селскостопанска вар).
- Други изменения (напр. добавки за пълнене на почвата, хранителни вещества и др.).
Замърсената почва обикновено се третира в елеватори с дебелина до 1 метър. Когато се постигне желаното ниво на третиране, елеваторът се отстранява и се поставя нов. Много често се отстранява само горната част на ремедеирания елеватор, след което новият елеватор се конструира чрез добавяне на по-замърсена почва към останалия материал и се смесва. Това служи за инокулиране на прясно добавения материал с активно развиваща се микробна култура и може да намали времето за третиране. Тази техника се използва успешно от години при управлението и обезвреждането на мазни утайки и други отпадъци от петролните рафинерии. Като цяло, колкото по-високо е молекулното тегло на целевата молекула (т.е. колкото повече пръстени има полицикличния ароматен въглеводород), толкова по-бавна е скоростта на разграждане. Също така, колкото по-хлорирано или нитрирано е съединението, толкова по-трудно е да се разгради. Факторите, които могат да ограничат приложимостта и ефективността на процеса, включват: а) големи изисквания за пространство; б) не могат да бъдат постигнати благоприятни условия за биологично разграждане на замърсителите, което увеличава продължителността на времето за завършване на ремедиирането, особено за рекалцитрираните съединения; в) неорганичните замърсители не са биоразградени; г) потенциала на големи количества прахови частици, отделяни от операциите; и (д) присъствието на метални йони може да бъде токсично за микробите и може да се изтече от замърсената почва в земята. Биологичното рекултивиране, комбинирано с други биологични методи за пречистване, се използва широко и успешно се прилага при много видове отпадъци, особено за депониране на мазни утайки и други отпадъци от петролните рафинерии
КОМПОСТИРАНЕ: Компостирането е процес, който работи за ускоряване на естественото разпадане на органичния материал, като осигурява идеалните условия за бурно развитие на микроорганизмите (Фиг. 24). Крайният продукт на този концентриран процес на разлагане е продукт, богат на хранителни вещества (компост), който може да помогне на зърнените култури, градинските растения и дърветата да растат.
Фигура 24. Компостиране
Биоремедиацията на компоста се отнася до използването на биологична система от микроорганизми в зрял, втвърден компост, за да се секвестрират или разградят замърсителите във вода или почва. Микроорганизмите консумират замърсители в почви, подземни и повърхностни води и въздух. Замърсителите се усвояват, метаболизират и трансформират в хумус и инертни странични продукти, като въглероден диоксид, вода и соли. Биоремедиацията на компост се е доказала ефективна при разграждане или промяна на много видове замърсители, като хлорирани и нехлорирани въглеводороди, съхраняващи дървесина химикали, разтворители, тежки метали, пестициди, петролни продукти и експлозиви. Компостът, използван при биоремедиацията, се нарича „пригоден“ или „проектиран“ компост, тъй като е специално направен за третиране на специфични замърсители на конкретни места. Крайната цел във всеки проект за ремедиация е да се възстанови мястото в неговото състояние преди замърсяване, което често включва възстановяване за стабилизиране на третираната почва. В допълнение към намаляването на нивата на замърсителите, компостът постига тази цел като улеснява растежа на растенията. С тази роля компостът осигурява кондициониране на почвата и също така осигурява хранителни вещества за голямо разнообразие от растителност
БИОРЕАКТОРИ: третирането на замърсена почва в биореактор е най-добрата технология за ремедиация, въпреки че е най-скъпата (Фиг. 25).
Фиг. 25. Примери за третиране на почва в биореактор
Това е ex situ off site технология: почвата, след отстраняването й от първоначалната площадка, може да се третира далеч от първоначалното й местоположение. Почвата се обработва във фаза на суспензия в биореактор, изработен от различни материали (стъкло, стомана, бетон или други материали) и всички параметри на процеса на ремедиация се следят и контролират, за да направят процеса възможно най-ефективен (рН, редокс потенциал, температура, концентрация на замърсителя(ите), наличие на метаболити на разграждането). Следователно, микроорганизмите могат да работят в оптималните си условия. Пречистването на замърсената почва в биореактора обикновено се прилага за почви, замърсени от особено рекалцитрирани молекули, които трудно се отстраняват чрез други технологии за ремедиация (например, силно хлорирана молекула).
Силни и слаби страни на технологиите за биоремедиация
СИЛНИПСТРАНИ
– Намалени разходи по отношение на химическите и физическите стратегии (по-ниски разходи за енергия);
– Намалено въздействие върху околната среда: почвата може да се използва повторно in situ;
– Проблемът (т.е. замърсяването) е решен (замърсителите изчезват, те не се преместват просто от едно място на друго);
– Приемливост от общественото мнение.
СЛАБИ СТРАНИ
– Проблеми за бионаличността на замърсители;
– Проблеми в случай, че замърсителите са повече от един;
– Проблеми с подходящи условия на околната среда (рН, температура, наличие на кислород).
Тест: РО7 Основно ниво
Използвана литература
- Meegoda JN, Li B, Patel K, Wang LB. 2018. A review of the processes, parameters, and optimization of anaerobic digestion. International journal of environmental research and public health, 15(10): 2224
- Wang P, Wang H, Qiu Y, Ren L, Jiang B. 2018. Microbial characteristics in anaerobic digestion process of food waste for methane production–A review. Bioresource technology, 248: 29-36
- Azhar S HM, Abdulla R, Jambo SA, Marbawi H, Gansau JA, Faik AAM, Rodrigues KF. 2017. Yeasts in sustainable bioethanol production: A review. Biochemistry and Biophysics Reports, 10: 52-61
- Prasad RK, Chatterjee S, Mazumder PB, Gupta SK, Sharma S, Vairale MG, .Gupta DK. 2019. Bioethanol production from waste lignocelluloses: A review on microbial degradation potential. Chemosphere, 231: 588-606
- Sivagami K, Sakthivel KP, Nambi IM. 2018. Advanced oxidation processes for the treatment of tannery wastewater. Journal of environmental chemical engineering, 6(3): 3656-3663
- Krzeminski P, Tomei MC, Karaolia P, Langenhoff A, Almeida CMR, Felis E, Fatta-Kassinos D. 2019. Performance of secondary wastewater treatment methods for the removal of contaminants of emerging concern implicated in crop uptake and antibiotic resistance spread: A review. Science of the Total Environment, 648: 1052-1081
- Abatenh E, Gizaw B, Tsegaye Z, Wassie M. 2017. The role of microorganisms in bioremediation-A review. Open Journal of Environmental Biology, 2(1): 038-046
- Wan X, Lei M, Chen T. 2020. Review on remediation technologies for arsenic-contaminated soil. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 14(2): 1-14.
- Meegoda JN, Li B, Patel K, Wang LB. 2018. A review of the processes, parameters, and optimization of anaerobic digestion. International journal of environmental research and public health, 15(10): 2224
- Wang P, Wang H, Qiu Y, Ren L, Jiang B. 2018. Microbial characteristics in anaerobic digestion process of food waste for methane production–A review. Bioresource technology, 248: 29-36
- Azhar S HM, Abdulla R, Jambo SA, Marbawi H, Gansau JA, Faik AAM, Rodrigues KF. 2017. Yeasts in sustainable bioethanol production: A review. Biochemistry and Biophysics Reports, 10: 52-61
- Prasad RK, Chatterjee S, Mazumder PB, Gupta SK, Sharma S, Vairale MG, .Gupta DK. 2019. Bioethanol production from waste lignocelluloses: A review on microbial degradation potential. Chemosphere, 231: 588-606
- Sivagami K, Sakthivel KP, Nambi IM. 2018. Advanced oxidation processes for the treatment of tannery wastewater. Journal of environmental chemical engineering, 6(3): 3656-3663
- Krzeminski P, Tomei MC, Karaolia P, Langenhoff A, Almeida CMR, Felis E, Fatta-Kassinos D. 2019. Performance of secondary wastewater treatment methods for the removal of contaminants of emerging concern implicated in crop uptake and antibiotic resistance spread: A review. Science of the Total Environment, 648: 1052-1081
- Abatenh E, Gizaw B, Tsegaye Z, Wassie M. 2017. The role of microorganisms in bioremediation-A review. Open Journal of Environmental Biology, 2(1): 038-046
- Wan X, Lei M, Chen T. 2020. Review on remediation technologies for arsenic-contaminated soil. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 14(2): 1-14.
Ползи за околната среда от съвременните биотехнологични и ИКТ приложения
НИВО ЗА НАПРЕДНАЛИ
Процесът на производство на биогаз вече е описан в раздела за основното ниво. В обобщение на вече описаното, в развиващите се страни се наблюдава повишен интерес към развитието на технологии за производство на възобновяеми енергийни източници.
Съдържание
Възобновяема енергия: биотехнология за производство на биогаз и биоетанол (ниво B)
Биогаз
Процесът на производство на биогаз вече е описан в раздела за основното ниво. В обобщение на вече описаното, в развиващите се страни се наблюдава повишен интерес към развитието на технологии за производство на възобновяеми енергийни източници. Анаеробното разграждане привлича внимание през последните години след енергийната криза в началото на 70-те години и особено след войната в Персийския залив. Процесът включва третиране на различни видове селскостопански и промишлени отпадъци при производството на биогаз. Интересът към анаеробното третиране на отпадъци от аграрната промишленост се увеличава, тъй като е икономичен, има по-ниски енергийни нужди и е екологично чист, наред с няколко други предимства, в сравнение с процесите на аеробно третиране. Процесът произвежда диджестат, който се използва главно като тор за растениевъдството, тъй като хранителните вещества в суровината остават в минерализираната утайка като достъпни съединения. Това е преработка на отпадъците с цел получаване на гориво, като рециклирането на хранителни вещества представлява устойчив цикъл.
Анаеробното разграждане е сложен, природен, двустепенен процес на разграждане на органични съединения през различни междинни продукти до метан и въглероден диоксид под действието на консорциум от микроорганизми. Взаимозависимостта на бактериите е ключов фактор в процеса на анаеробното разграждане. На първия етап летливите твърди вещества в оборския тор се превръщат в мастни киселини от анаеробни бактерии, известни като „образуващи киселини“. Във втория етап тези киселини допълнително се превръщат в биогаз от по-специализирани бактерии, известни като „образуващи метан“. Процесът на анаеробно разграждане, който работи в природата в продължение на милиони години, може да бъде управляван, за да превърне често проблемния поток от отпадъци в актив за земеделските производители. Нестабилността както по време на стартирането, така и по време на процеса на анаеробно разграждане може да бъде проблематична поради ниската специфична скорост на растеж на участващите метаногенни микроорганизми.
Тук са представени някои допълнителни подробности за реакторите, използвани за производство на биогаз. Известно е, че няколко параметъра са важни за разработването и управлението на инсталацията за производство на биогаз. В частност:
→ работната температура. Процесът може да бъде провеждан при:
– психрофилни условия (20º C) (не се използват много в традиционните инсталации)
– мезофилни условия (35 – 42° C)
– термофилни условия (> 50° C);
Мезофилно разграждане. Реакторът се загрява до 30–35 °C и суровината остава в него обикновено 15–30 дни. Мезофилното разграждане има тенденция да бъде по-стабилно и толерантно в сравнение с термофилния процес, но производството на газ е по-малко, необходими са по-големи резервоари за разграждане и дезинфекцията, ако е необходимо, е отделен етап от процеса.
Термофилно разграждане. Реакторът се загрява до 55 °C и времето на престой обикновено е 12-14 дни. Термофилните системи за разграждане предлагат по-високо производство на метан, по-добра производителност, по-ефективно „убиване“ на патогени и вируси, но изискват по-скъпа технология, по-голямо влагане на енергия и по-висока контрол на работата. По време на този процес 30–60% от смилаемите твърди вещества се превръщат в биогаз.
Следователно, процесът в термофилни условия е по-бърз, но когато характеристиките на захранващия субстрат се променят с времето, сезона и т.н., се използват мезофилните условия.
à твърдото съдържание в реактора. Можем да разграничим:
– мокри/влажни процеси (5 – 8% сухо вещество в реактора)
– полусухи процеси (сухо вещество = 8 – 20%)
– сухи процеси (сухо вещество > 20%)
à метаболитните фази в реактора.
– ЕДНОФАЗОВ процес: цялата микробна верига се съхранява в един реактор;
– ДВУФАЗЕН процес: хидролитичната ферментативна фаза се отделя от метаногенната.
Как работи инсталацията за биогаз? Моля, вижте уебсайта: https://www.youtube.com/watch?v=3UafRz3QeO8
Следващата картина (Фиг. 1) показва различните конфигурации на биореактори, които могат да бъдат разработени за производство на биогаз. Те могат да се различават по два параметъра: хидравличната схема и начина на работа на микроорганизмите в реактора (свободни или имобилизирани клетки).
Фигура. 1. Реактори за производство на биогаз
Реакторът с непрекъснато разбъркване в резервоара (CSTR) е често срещан модел за химически реактор в екологичното инженерство. Това е реактор, работещ в периодичен режим, оборудван с бъркалка или друго смесително устройство, за да осигури ефективно смесване. Идеалният CSTR предполага перфектно смесване. В реакторът с перфектно смесване, захранващия разтвор се смесва незабавно и равномерно в целия реактор при влизането си в него. Следователно, изпълнението е функция от времето на престой и скоростта на реакция. Контактът с твърдата фаза на биореактора може да се подобри чрез резервоар за утаяване, който отделя течната среда от твърдата част, която след това се изпраща обратно в биореактора (анаеробния процес, представен на фигурата).
CSTR се състои от: резервоарен реактор (обикновено с постоянен обем), разбъркваща система за смесване на реагенти (бъркалка или въвеждане на реагентите чрез бърз поток), захранващи и изходни тръби за въвеждане на реагентите и отстраняване на продуктите CSTR обикновено се използва при промишлена преработка. Биодиджесторите за производство на биогаз са реактори с резервоар с непрекъснато разбъркване, изработени от бетон или стомана.
Реакторът с анаеробен слой е напълнен с инертна подложка, която осигурява много голяма повърхност за микробен растеж. Потокът преминава през средата и анаеробните микроби се прикрепят към подложката, създавайки тънък слой от анаеробни бактерии, наречен биофилм – този филм дава на диджестора името си, реактор с фиксиран филм или реактор с напълнен слой. След това тези микроби продължават да растат, като отстраняват материал от отпадъчните води, докато преминават през реактора. В повечето диджестери микробите плават в течността и част от тези активно растящи микроорганизми се изхвърлят непрекъснато с отпадъчните води. В диджестора с напълнен слой, бактериите остават прикрепени към пластмасовата подложка, когато се изхвърлят отпадъчните води. Микроорганизмите вече са „на работа“, когато се добави новата порция поток. Диджестерите с напълнени слоеве имат по-малки реакторни съдове, по-кратко време на задържане и трябва да бъдат заредени със суровина, която лесно ще преминава през средата, без да я запушва. Типичните времена на задържане са от три до пет дни и диджесторите могат да работят при стайна температура в горещ климат, но обикновено се нагряват до мезофилни или термофилни температури.
Какви са предимствата на анаеробния реактор с напълнен слой? Повишена стабилност и производителност в анаеробните реактори може да се постигне, ако микробният консорциум се задържи в реактора. Двата начина за постигане на това са използването на гъста бактериална гранула, както в реакторите на UASB или микробен биофилм, прикрепен към инертни носители в гореописаните реактори с напълнен слой. Технологията на анаеробните утайки с възходящ поток (UASB), обикновено наричана UASB реактор, наистина е форма на анаеробно разграждане, която се използва за пречистване на отпадъчни води и като метаногенен (произвеждащ метан) диджестер. Подобна, но вариантна технология на UASB е дигестерят с разширени гранулирани утайки (EGSB) (Фиг. 2). Реакторът с разширен гранулиран утаечен слой (EGSB) е вариант на концепцията UASB. Отличителната негова черта е, че за отпадъчните води, преминаващи през утайката, е проектирана по-бърза скорост. Увеличеният поток позволява частично разширяване (и от това произлиза името на реактора) на гранулирания слой утайка, подобрявайки контакта на отпадъчни води и утайката, както и засилвайки отделянето на малки неактивни суспендирани частици от утайката. Увеличената скорост на потока се постига чрез използване на високи реактори, или чрез включване на рециклиране на отпадъчни води (или и двете).
Фигура. 2. Реактори с фиксиран / разширен слой (ляво) и UASB реактор (дясно)
UASB е анаеробен процес, който образува слой от гранулирана утайка, суспендирана в резервоара. Отпадъчните води текат нагоре през нея и се обработват от анаеробните микроорганизми. Възходящият поток, комбиниран с утаяващото действие на гравитацията, спира утайката с помощта на флокуланти. Тя започва да достига зрялост за около три месеца. Започват да се образуват малки гранули от утайка и те съдържат органични вещества и бактерии без никаква поддържаща матрица, условията на потока създават селективна среда, в която оцеляват и се размножават само онези микроорганизми, способни да се прикрепят един към друг. В крайна сметка агрегатите образуват плътни компактни структури, наричани „гранули“. Произвежда се биогаз с висока концентрация на метан, който може да бъде уловен и използван като източник на енергия, за генериране на електричество и за покриване на собствената работна мощност на реактора. Технологията се нуждае от постоянен мониторинг, когато се използва, за да се гарантира, че утайката се поддържа, а не се измива (като по този начин се губи ефекта). Топлината, произведена като страничен продукт от производството на електроенергия, може да се използва повторно за загряване на резервоарите за разграждане. Опаковъчната среда в реактора с напълнен слой и гранулираната утайка в реактора UASB служат като филтър, предотвратяващ измиването на бактериите, а също така осигуряват по-голяма повърхност за по-бързо развитие на биофилм и подобрена метаногенеза. Установено е, че специфичната повърхност, порьозността, грапавостта на повърхността, размерът на порите и ориентацията на опаковъчния материал играят важна роля в работата на анаеробния реактор. Реакторите с биофилм или фиксиран филм зависят от естествената склонност на смесените микробни популации да адсорбират върху повърхности и да образуват биофилм. Много носещи материали са изследвани относно тяхната пригодност като носители за биофилм, включително евтини, лесно достъпни материали като пясък, глина, стъкло, кварц и редица пластмаси. В природата микроорганизмите обитават външната и вътрешната повърхност на камък, чакъл или пясък. Това образуване на биофилм се превръща във важен фактор за способността за самопречистване на водата. Растежът на микроорганизми в биофилм е основата за биологично пречистване на водата чрез процеси като денитрификация и за интензифициране на аеробни и анаеробни пречиствания на отпадъчни води. Съобщава се и за използването на реактори с напълнени слоеве за пречистване на различни видове отпадъчни води, например млечни и пивоварни. Образуването на биофилм върху инертни материали подобрява скоростта на трансформация чрез намаляване на нейната чувствителност към вариации в концентрацията и инхибиращи вещества. Ефективността на отстраняване на органични вещества в реактори с неподвижен слой е пряко свързана с характеристиките на носещия материал, използван за имобилизиране на анаеробите. Ретикуларната полиуретанова пяна има висока специфична повърхност. Това е отлична колонизационна матрица за реактори с анаеробен филтър. Размерът на порите е един от най-важните параметри за микробиологичните и инженерните изисквания при високоефективните съоръжения. Разработват се много видове модели с материали за разграждане на различни органични отпадъци в реактори за анаеробно разграждане.
Разработването на реактори с фиксирана биомаса гарантира значителен напредък в познаването и прилагането на анаеробните процеси за третиране на отпадъци. В сравнение с конвенционалните агрегати, биореакторите с фиксиран филм са ефективни при по-високи нива на органично зареждане, поради по-ефективното задържане на биомаса в реакционната зона, което води до по-дълго време на задържане на клетките. Анаеробните реактори с имобилизирана биомаса също показват по-добри реакции на органични шокови натоварвания и токсични вещества. В много случаи реакторите с имобилизирана биомаса напълно възстановяват работата си след такива проблеми
Как работи UASB реактора? Моля, погледнете това видео https://www.youtube.com/watch?v=0QsEdlJgllI
Полезен резултат от процеса на анаеробно разграждане е диджестата. Диджестатът е останалата част от разградената биомаса след производството на биогаз: това е стабилна органична материя, богата на различни хранителни вещества (N, P, K). В зависимост от суровината, използвана за производството на биогаз, диджестатът може да бъде директно използваем като органичен тор по същия начин, по който суровите животински фецеси се разпръскват върху полето в селското стопанство. Също така може да бъде допълнително подобрен, за да възстанови висококачествените минерални хранителни вещества. Използването на диджестатите като органичен тор показва множество предимства: позволява повторно използване на хранителни вещества и замества минералния тор с изкопаем произход. В сравнение със суровия оборски тор, диджестатът също се дезинфекцира благодарение на процеса на производство на биогаз, неутрализиращ повечето патогени в първоначалната суровина, като бактерии и вредители по растителните култури. Хомогенността и плътността на диджестата също позволяват по-бързо проникване в почвата в сравнение със суровия тор, което прави хранителните вещества по-лесно достъпни за растенията в почвата. Ако не е подходящ за селскостопански цели, диджестатът може да бъде допълнително обработен и използван като суровина за промишлени процеси.
Обща схема на инсталация за производство на биогаз е представена по -долу (Фиг. 3).
Фигура. 3. Инсталация за биогаз.
Биоетанол
Страните по света са обмислили и насочили политиките към увеличаване и икономично използване на биомасата за посрещане на бъдещите им енергийни нужди, за да се постигнат целите за намаляване на въглеродния диоксид, както е посочено в Протокола от Киото, както и за намаляване на зависимостта от доставките на изкопаеми горива. Въпреки че биомасата може да бъде огромен източник на транспортни горива като биоетанол, тя обикновено се използва за генериране както на енергия, така и на топлина, чрез изгаряне. Етанолът в момента е най-широко използваното течно биогориво за моторни превозни средства. Значението на етанола се увеличава поради редица причини, като глобалното затопляне и изменението на климата.
Глобалният пазар на биоетанол навлезе във фаза на бърз, преходен растеж. Много страни по света пренасочват фокуса си към възобновяеми източници за производство на електроенергия поради изчерпване на запасите от суров петрол. Тенденцията се разширява и при транспортирането на горивото. Етанолът има потенциал като ценен заместител на бензина на пазара на транспортни горива. Разходите за производство на биоетанол обаче, са повече в сравнение с изкопаемите горива. Бразилия и САЩ са двата големи производители на етанол, които съставляват 62% от световното производство. Мащабното производство на горивен етанол се основава главно на захароза от захарна тръстика в Бразилия или нишесте, главно от царевица, в САЩ. Моля, вижте схемата по-долу (Фиг. 4).
Фигура 4. Схема за производство на биоетанол от захар и нишесте.
Настоящото производство на етанол на базата на царевица, нишесте и богати на захари вещества може да не е желателно поради тяхната хранителна и фуражна стойност. Разходите са важен фактор за широкомащабно разширяване на производството на биоетанол. Горивото – зелено злато от лигноцелулозни отпадъци избягва съществуващата конкуренция на храни срещу гориво, породена от производството на биоетанол на зърнена основа. Следователно, производството на биоетанол може да бъде пътя към ефективното оползотворяване на селскостопански отпадъци. Оризовата слама, пшеничната слама, царевичната слама и захарната тръстика са основните селскостопански отпадъци по отношение на наличната биомаса.
Лигноцелулозните материали са възобновяеми, с ниска цена и са в изобилие. Те включват растителни остатъци, треви, дървени стърготини, дървесни стърготини и др. Проведени са обширни изследвания върху производството на етанол от лигноцелулоза. Лигноцелулозите се обработват за производство на биоетанол чрез три основни операции:
1) предварителна обработка за делигнификация, необходима за освобождаване на целулозата и хемицелулозата преди хидролиза;
2) хидролиза на целулоза и хемицелулоза за получаване на ферментируеми захари, включително глюкоза, ксилоза, арабиноза, галактоза, маноза и ферментация на редуциращи захари.
3) невъглехидратните компоненти на лигнина също имат приложения с добавена стойност
Най-важното предизвикателство при преработката за производството на биогориво е предварителната обработка на биомасата. Лигноцелулозната биомаса се състои от три основни съставки, а именно хемицелулоза, лигнин и целулоза. Методите за предварително третиране се отнасят до разтваряне и разделяне на един или повече от тези компоненти на биомасата. Това прави останалата твърда биомаса по-достъпна за по-нататъшно химическо или биологично третиране. Лигноцелулозният комплекс се състои от матрица от целулоза и лигнин, свързана с хемицелулозни вериги. Предварителната обработка се извършва за нарушаване на целостта на матрицата, за да се намали степента на кристалност на целулозата и да се увеличи фракцията на аморфната целулоза, най-подходящата форма за ензимна атака. Предварителната обработка се предприема с цел промяна в макроскопичния и микроскопичния размер и структура на биомасата, както и в субмикроскопската структура и химичния състав. Това прави лигноцелулозната биомаса податлива на бърза хидролиза с повишени добиви на мономерни захари.
Целите на ефективен процес на предварителна обработка са:
- i) образуване на захари директно или впоследствие чрез хидролиза, за да се избегне загуба и/или разграждане на образуваните захари
(ii) да се ограничи образуването на инхибиторни продукти
(iii) намаляване на енергийните нужди и минимизиране на разходите.
Физическите, химичните, физико-химичните и биологичните обработки са четирите основни типа използвани техники за предварителна обработка. Като цяло, комбинацията от тези процеси се използва в етапа на предварителна обработка.
Сред предварителна физическата обработка, първата стъпка за производство на етанол от твърди селскостопански отпадъци е механичното намаляване на размера чрез смилане, стриване или нарязване. Това намалява кристалността на целулозата и подобрява ефективността на преработката надолу по веригата. Пиролизата е физическа обработка: материалите се обработват при температура по-висока от 300 °C, при което целулозата бързо се разлага, за да се получат газообразни продукти и остатъчен въглен. Остатъчният въглен се обработва допълнително чрез излугване с вода или с мека киселина. Отцедната вода съдържа достатъчно източник на въглерод, за да поддържа растежа на микробите за производството на биоетанол. Глюкозата е основният компонент на инфилтрата. Предварителната обработка на лигноцелулозна биомаса в микровълнова печка също е възможен метод, който използва високата ефективност на нагряване на микровълновата фурна. Микровълновата обработка използва топлинни и нетермични ефекти, генерирани от микровълни във водна среда. Топлината се генерира в биомасата чрез микровълнова радиация, в резултат на вибрациите на полярните връзки в биомасата и околната водна среда. Тази уникална функция за нагряване води до експлозивен ефект сред частиците и подобрява разрушаването на стабилните структури на лигноцелулозата. При нетермичния метод, т.е. метода на облъчване с електронен лъч, полярните връзки вибрират, тъй като те са подравнени с непрекъснато променящото се магнитно поле и разрушаването и ударът на полярните връзки ускорява химичните, биологичните и физическите процеси.
Сред физико-химичните обработки експлозията с пара е обещаваща, защото прави биомасата по-достъпна за целулазна атака. Този метод на предварителна обработка не използва никакъв катализатор и биомасата се фракционира за получаване на левулинова киселина, ксилитол и алкохоли. При този метод биомасата се загрява с помощта на пара под високо налягане (20–50 bar, 160–290 °C) за няколко минути; след това реакцията се спира чрез внезапна декомпресия до атмосферно налягане. Когато се остави парата да се разшири в лигноцелулозната матрица, тя разделя отделните влакна. Освобождаването на голяма част от ксилозата (45–65%) прави предварителната обработка с експлозия с пара икономически привлекателна.
Химическите методи за предварителна обработка включват използването на разредена киселина, основи, амоняк, органичен разтворител, CO2 или други химикали. Тези методи са лесни за работа и имат добри добиви на конверсия за кратък период от време. Киселинната предварителна обработка се счита за една от най-важните техники и цели високи добиви на захари от лигноцелулози. Обикновено се извършва от концентрирани или разредени киселини (обикновено между 0,2% и 2,5% w/w) при температури между 130 °C и 210 °C. Киселата среда атакува полизахаридите, особено хемицелулозите, които се хидролизират по-лесно от целулозата. Въпреки това, предварителната обработка с киселина води до производството на различни инхибитори като оцетна киселина, фурфурол и 5-хидроксиметилфурфурол. Тези продукти са инхибитори на растежа на микроорганизмите. Следователно, хидролизатите, които ще се използват за ферментация, трябва да бъдат детоксикирани. Алкалната предварителна обработка на лигноцелулози разгражда лигниновия матрикс и прави целулозата и хемицелулозата достъпни за ензимно разграждане. Алкалното третиране на лигноцелулоза разрушава клетъчната стена чрез разтваряне на хемицелулози, лигнин и силициев диоксид, чрез хидролизиране на уронови и оцетни естери и чрез набъбване на целулозата. Кристалността на целулозата се намалява поради подуване. Чрез този процес субстратите могат да бъдат фракционирани до алкално разтворим лигнин, хемицелулози и остатък, което улеснява използването им за по-ценни продукти. Крайният остатък (главно целулоза) може да се използва за производство на хартия или целулозни производни. Органичните разтворители са алтернативни методи за делигнификация на лигноцелулозни материали. Използването на смеси от органичен разтворител/вода елиминира необходимостта от изгаряне на течността и позволява изолирането на лигнините (чрез дестилация на органичния разтворител). Примери за такива предварителни обработки включват използването на 90% мравчена киселина и тази на въглероден диоксид под налягане в комбинация (50% смес алкохол/вода и 50% въглероден диоксид). Други различни органични разтворители, които могат да се използват за делигнификация, са метанол, етанол, оцетна киселина, перформатна киселина и оцетна киселина, ацетон и др.
Биологични третирания. Ензимната хидролиза е предпочитаният метод за захарификация поради по-високите си добиви, по-високата селективност, по-ниските разходи за енергия и по-меките условия на работа от химичните процеси.
Различен начин на ферментация. Ферментацията на биоетанол може да се извърши в периодичен, периодичен с подхранване или непрекъснат режим. В периодичния процес, субстратът се осигурява в началото на процеса без добавяне или отстраняване на средата. Известен е като най-простата система на биореактор с гъвкав и лесен процес на управление. Процесът на ферментация се извършва в затворена система с висока концентрация на захари в началото и завършва с висока концентрация на продукт. Периодичната система има няколко предимства, включително пълна стерилизация, не изисква специални умения, лесно се управлява суровината и може лесно да се контролира. Производителността обаче, е ниска и се нуждае от интензивни и високи разходи за труд. Наличието на висока концентрация на захар във ферментационната среда може да доведе до инхибиране на клетъчния растеж и производството на етанол от субстрата. Рециклирането на клетките при периодична ферментация е стратегически метод за ефективно производство на етанол, тъй като намалява времето и разходите за приготвяне на инокулум. Другите предимства на полупериодичния процес са лесно събиране на клетките, стабилна работа и дългосрочна производителност. Захарни материали и имобилизирани дрождеви клетки се използват за улесняване на клетъчното разделяне за рециклиране на клетките. Приложението му за лигноцелулозни материали е изключително трудно, тъй като лигноцелуозният остатък остава във ферментационната среда заедно с клетките на дрождите. Използването на свободни клетки в тази система намалява концентрацията на дрожди и води до по-ниско производство на етанол в следващите партиди. Ферментацията в полунепрекъснат режим може да се извърши чрез заместване на свободните клетки с имобилизирани клетки. Полунепрекъснатата ферментация е комбинация от периодичен и непрекъснат режим, който включва добавяне на субстрат във ферментатора без отстраняване на средата. Той се използва за преодоляване на проблема с инхибирането на субстрата при периодичния режим. Обемът на културата при периодично захранвани процеси може да варира в широки граници, но трябва да се подава правилно с определена скорост с подходящия състав на компонента. Производителността на периодично подхранваната ферментация може да се увеличи чрез поддържане на субстрата при ниска концентрация, което позволява превръщането на достатъчно количество ферментиращи захари в етанол. Този процес има по-висока производителност, по-висок разтворен кислород в средата, по-кратко време на ферментация и по-нисък токсичен ефект на компонентите на средата в сравнение с други видове ферментация. Въпреки това, производителността на етанол в периодичната култура е ограничена от скоростта на подаване и концентрацията на клетъчната маса.
Обемът на културата при полунепрекъснатите процеси може да варира в широки граници, но трябва да се подава правилно с определена скорост с подходящия компонентен състав. Производителността на ферментацията в полунепрекъснат режим може да се увеличи чрез поддържане на субстрата при ниска концентрация, което позволява превръщането на достатъчно количество ферментиращи захари в етанол. Този процес има по-висока производителност, повече разтворен кислород в средата, по-кратко време на ферментация и по-нисък токсичен ефект на компонентите на средата в сравнение с други видове ферментация. Въпреки това, производителността на етанол в подаваната партида е ограничена от скоростта на подаване и концентрацията на клетъчната маса.
Непрекъснатата работа се извършва чрез постоянно добавяне на субстрати, хранителна среда и хранителни вещества в биореактор, съдържащ активни микроорганизми. Обемът на културата при непрекъсната работа трябва да бъде постоянен и ферментационните продукти да се отнемат непрекъснато от средата. От горната част на биореактора могат да се получат различни видове продукти като етанол, клетки и остатъчна захар. Предимствата на непрекъснатата система пред партидната и захранващата партидна система са по-висока производителност, по-малки обеми биореактори и по-малко инвестиционни и експлоатационни разходи. При висока скорост на разреждане, производителността на етанол се увеличава, докато добивът на етанол се намалява поради непълно потребление на субстрата от дрожди.те Възможността за настъпване на замърсяване обаче, е по-висока в сравнение с другите видове ферментации. Освен това, способността на дрождите да произвеждат етанол в непрекъснат процес се намалява поради дългото време на култивиране.
Фактори, влияещи върху производството на биоетанол
Няколко фактора влияят върху производството на биоетанол: температура, концентрация на захари, рН, време на ферментация, скорост на разбъркване и количество инокулум. Скоростта на растеж на микроорганизмите се влияе пряко от температурата. Високата температура, която е неблагоприятна за растежа на клетките, се превръща в стрес фактор за микроорганизмите. Идеалният температурен диапазон за ферментация е между 20 и 35 оC за Saccharomyces cerevisiae. Свободните клетки на S. cerevisiae имат оптимална температура близо до 30 °C, докато имобилизираните клетки имат малко по-висока оптимална температура поради способността си да пренасят топлина от повърхността на частиците във вътрешността на клетките. Освен това ензимите, които регулират микробната активност и процеса на ферментация, са чувствителни към висока температура, която може да денатурира нейната третична структура и да инактивира ензимите. По този начин температурата се регулира внимателно по време на процеса на ферментация.
Увеличаването на концентрацията на захарите до определено ниво води до увеличаване на скоростта на ферментацията. Използването на прекомерна концентрация на захар обаче, ще доведе до постоянна скорост на ферментация. Това е така, защото концентрацията на захарите надхвърля капацитета за поемането им от микробните клетки. Като цяло, максималната скорост на производство на етанол се постига при използване на захари в концентрация 150 g/L. Първоначалната концентрация на захар също се счита за важен фактор при производството на етанол. Висока производителност на етанол и добив при периодична ферментация могат да бъдат постигнати чрез използване на по-висока начална концентрация на захар. Тя се нуждае обаче, от по-дълго време на ферментация и по-високи разходи за изолиране.
Производството на етанол се влияе от рН на културалната среда, тъй като влияе върху бактериалното замърсяване, растежа на дрождите, скоростта на ферментацията и образуването на странични продукти. Пропускливостта на някои основни хранителни вещества в клетките се влияе от концентрацията на Н+ във ферментационния бульон. Освен това, оцеляването и растежът на дрождите се влияе от рН в диапазона 2,75–4,25. При ферментацията за производство на етанол оптималният диапазон на рН за S. cerevisiae е 4.0–5.0 [34]. Когато рН е по -ниско от 4,0, се изисква по-дълъг инкубационен период, но концентрацията на етанол не се намалява значително. Въпреки това, когато рН е над 5,0, концентрацията на етанол намалява значително.
Времето на ферментация влияе върху растежа на микроорганизмите. По-краткото време на ферментация причинява неефективна ферментация поради неадекватен растеж на микроорганизми. От друга страна, по-дългото време на ферментация дава токсичен ефект върху растежа на микробите, особено в периодичен режим, поради високата концентрация на етанол във ферментационната течност. Пълна ферментация може да се постигне при по-ниска температура, като се използва по-дълго време на ферментация, което води до най-нисък добив на етанол.
Скоростта на разбъркване контролира пропускливостта на хранителните вещества от ферментационната среда вътре в клетките и отстраняването на етанола от клетката до ферментационната среда. Колкото по-голяма е скоростта на разбъркване, толкова по-голямо е количеството произведен етанол. Освен това, увеличава се количеството консумирана захар и намалява инхибиторния ефект на етанола върху клетките. Общата скорост на разбъркване за ферментация от клетките на дрождите е 150-200 об./мин. Излишната скорост на разбъркване не е подходяща за равномерното производство на етанол, тъй като причинява ограничаване на метаболитната активност на клетките.
Концентрацията на инокулума не дава значителни ефекти върху крайната концентрация на етанол, но влияе върху нормата на потребление на захар и производителността на етанол.
Биотехнология за производство на биопластмаси (ниво Б)
Основни стъпки към съвременните биопластмаси
- Биопластмасите не са истинска иновация: естествените смоли се използват от древни времена (например кехлибар, шеллак и др.)
- От 1860 г. се произвеждат първите пластмаси, получени от целулоза (напр. целулоид, целофан)
- През 40-те години на миналия век, Хенри Форд е направил автомобил с пластмаси, получени от соя
- През 50-те години се появяват пластмаси, получени от петролни разливи
- Петролната криза през 70-те години: възобновява се интереса към биопластмасите.
Понастоящем се наблюдава увеличение на търсенето на биопластмаси, главно поради неотложните екологични проблеми (изчерпване на ресурсите, парниковия ефект, изхвърлянето на отпадъци и др.). Фиг. 5, 6 и 7 предлагат допълнителна информация за биопластмасите.
Фигура 5. Биопластмасите и европейското законодателство
Пластмасата и каучука са полимерни материали, състоящи се от мономери. Те се произвеждат главно от петрол и основният материал е невъзобновяем. Около 4% от потреблението на петрол в света е като суровина в производството на пластмаси; подобно количество се използва като енергия в производствения процес. В допълнение към петрола, пластмасовото производство изисква използването на химически добавки като пластификатори, забавители на пламъка, топлинни и UV стабилизатори, биоциди, пигменти и удължители. Няколко добавки се класифицират като опасни, съгласно регламентите на ЕС (канцерогенни, мутагенни, вредни за репродуктивното здраве или за водния живот или с постоянни отрицателни въздействия върху околната среда).
През 60-те години на ХХ век, пластмасата се разглежда за първи път с тревога по отношение на замърсяването на моретата и океаните и негативните й въздействия върху здравето на хората и околната среда започват да се описват. Всъщност пластмасите освобождават токсични химикали през целия жизнен цикъл на продукта.
Рециклирането на пластмасите е възможно решение. То обаче, не е единственото решение, необходимо за ограничаване на отпадъците от пластмаса, които замърсяват околната среда. Пластмасовите изделия могат да варират от нерециклируеми само веднъж или два пъти, или определен брой пъти, но не завинаги. След това ограничение, пластмасата ще се окаже в депо. Освен това, много пластмасови потребители дори не позволяват на пластмасата им да има такъв дълъг живот. Възобновяемите пластмаси, което означава пластмаси, получени от възобновяеми източници и лесно биоразградими в околната среда, могат да предложат решение на проблема с биопластичното отравяне.
Fig. 6. Biobased and biodegradable
Фигура 7. Основни типове биопластмаси, произвеждани по света
Био-базиран е дефиниция в европейски стандарт EN 16575, която означава „получен от биомаса“. Биоразградими материали са материали, които могат да бъдат разрушени от микроорганизми като бактерии или гъби във вода, въглероден диоксид или метан и биомаса. Въпреки това, биоразградимостта зависи от условията на околната среда: наличие на микроорганизми, температура и наличност на кислород и вода. Компостиращите материали са материали, които се разрушават в условия на компостиране. Условията на индустриалното компостиране изискват повишена температура (55 °C – 60 °C), комбинирана с висока относителна влажност и наличието на кислород и те всъщност са оптимални в сравнение с други условия на разграждане в почвата, повърхностните води и морската вода. Съответствието с EN 13432 се счита за добра мярка за компостиране на опаковъчните материали. Според този стандарт пластмасовите опаковки могат да бъдат наречени компостируеми. Някои подробности за 3-те основни категории биопластмаси са дадени по-долу.
Пластмаси на основата на скорбяла
75% от всички органични материали на Земята присъстват под формата на полизахариди. Скорбялата е важен полизахарид. Растенията синтезират и съхраняват скорбяла в структурата си като енергиен резерв. Скорбялата се открива в семената, клубените или корените на растенията. Източници на скорбяла са царевица, пшеница, ориз, картофи, тапиока, грах и много други растителни ресурси. Повечето от скорбялата, произведена в световен мащаб, произхожда от царевица. Скорбялата обикновено се извлича от растителни ресурси чрез процеси на мокро смилане. Скорбялата се състои от два вида полимери на глюкозата: амилоза и амилопектин. Амилозата е по същество линеен полимер, при който глюкозните блокове се свързват предимно чрез α-D-(l, 4) глюкозидни връзки. Амилопектинът е разклонен полимер, съдържащ периодични разклонения, свързани с основната структура чрез α-D-(l, 6) глюкозидни връзки. Съдържанието на амилоза и амилопектин в скорбялата варира и зависи от нейния източник.
Важен клас пластмаси е този, базиран на скорбяла. Започвайки в началото на 90-те години, развитието на научните изследвания и технологиите доведе до откриването на сложни естествени полимери като скорбяла (от царевица, картофи и др.) с биоразградими макромолекули (полимерни комплексо-образуващи вещества), за да се получат термопластични и биоразградими иновативни материали в индустриален мащаб. По-специално, базираната на скорбяла технология Novamont (Фиг. 8) използва условия за обработка, които могат почти напълно да унищожат кристалността на амилозата и амилопектина, в присъствието на макромолекули, които са в състояние да образуват комплекс с амилозата. Те могат да бъдат от естествен или синтетичен произход и са биоразградими. Комплексът, образуван от амилоза и комплексообразуващия агент, обикновено е кристален и се характеризира с единична спирала на амилозата около комплексообразуващия агент. За разлика от амилозата, амилопектинът не взаимодейства с комплексообразуващия агент и остава в аморфното си състояние. Източникът на скорбяла, т.е. съотношение между амилоза и амилопектин, условията на обработка и естеството на комплексните агенти позволяват конструиране на различни супрамолекулни структури с много различни свойства. През последните няколко години са направени много успешни усилия за увеличаване на количеството възобновяеми суровини за производство на биоразградими полиестери. Затова Novamont е един от най-важните играчи в биопластмасите на основата на скорбяла. В момента компанията работи в разработването на проект за биорафиниране, състоящ се от иновативен модел за разработване, способен да синтезира различни химически междинни съединения, използвайки възобновяеми суровини, култивирани с нисък разход и в пределни зони, вместо изкопаеми суровини.
Пластмаси от поли-млечна киселина
Синтетични биоразградими поли-лактони като поли-млечна киселина (PLA), поли-гликолова киселина (PGA) и поли-капролактон (РС1) са полимери, които се разграждат чрез проста хидролиза на естерните връзки. Хидролитичните продукти от този процес на разграждане след това се трансформират в нетоксични субпродукти (Фиг. 9).
Фигура 9. Жизнен цикъл на PLA
Пластмасите PLA се получават от ферментацията на селскостопански продукти, богати на нишесте вещества като царевица, пшеница или сладка и фуражна царевица. Процесът включва превръщане на царевицата или другите въглехидратни източници в глюкоза, последвано от ферментацията й в млечна киселина (Фиг. 9 и 10).
Фигура 10. PLA получаване от скорбяла
PLA, получен от млечна киселина, е термопластичен, биоразградим алифатен полиестер с голям потенциал за приложения за опаковане. Мономерите на млечната киселина са директно поликондензирани или претърпяват полимеризация с отваряне на пръстена на лактида, което води до образуване на PLA пелети. Свойствата на PLA като опаковъчен материал зависят от съотношението между двата оптични изомера на мономера на млечната киселина. Когато се използват 100% L-мономери, това води до много висока кристалност и точка на топене, докато 90/10% D / L съполимери отговарят на изискванията за насипни опаковки. PLA е първият биобазиран полимер комерсиализиран в голям мащаб и може да бъде оформен в инжекционни формулировки, филми и покрития. PLA замества полиетилена с висока плътност, полиетилена с ниска плътност (LDPE), полиетилен терефталата и PS като опаковъчен материал.
Основните свойства на PLA са: i) механичното съпротивление и топлинната чувствителност са подобни на традиционните пластмаси; ii) твърдостта, сковаността и степента на еластичност са подобни на PET, iii), той може да съдържа мазнини, масла, алкохолни и алифатни молекули, iv) оскъдна резистентност към киселини и бази, но добра устойчивост на UV радиация, v) може да се отпечатва и боядисани, vi) Може да се трансформира в стоки чрез стандартни машини, използвани за традиционните пластмаси, vii) фазата на последваща употреба може да включва компостиране в промишлените инсталации.
Полихидроксиалканоати
Полихидроксиалканоатите (Phas) са био-разградими полимери, които се натрупват от някои бактерии като резервно съединение под формата на вътреклетъчни гранули. PHA е един от биополимерите, които могат ефективно да заменят конвенционалните нефтохимически пластмаси с техните материални свойства, които са съизмерими. Дори и сега производството им в голям мащаб все още е ограничено от високите им производствени разходи в сравнение с конвенционалните пластмаси, основани на изкопаеми горива, като PHA цената, в зависимост от полимерния състав, варира от 2,2 до 5,0 €/kg, която е най-малко три пъти по-високи от основните петрохимични полимери, които струват по-малко от 1,0 €/kg (изчисления, направени през 2016 г.).
В по-голямата част от фирмите, произвеждащи PHAs, се използват предимно чисти култури. Проблемът с употребата на чисти култури е изискването за стерилност и рафинирани субстрати, ако не се използват растителни суровини, като по този начин се ограничава процеса на комерсиализация. Всички тези проблеми трябва да бъдат преодолени, като се използват смесени микробни култури (MMCs): те съчетават трансформацията на отпадъците в получаване на ценна продукция с добавена стойност. Биологично третиране на отпадъчните води и управлението на утайките за възстановяване на въглерода от отпадъчни води като PHAS е начин за трансформиране на инфраструктурата за опазване на околната среда в края на процеса по биорафиниране. Интеграционни стратегии за производството на MMC PHA в процесите на пречистване на отпадъчни води са предложени за отпадъчни води от промишлени процеси и обработка на общински отпадъчни води.
Един от най-добре характеризираните членове на семейството PHA е полихидроксибутирата (PHB), произвеждан от микроорганизми, които го натрупват в клетъчната цитоплазма. През 1926 г. първо се открива микробно производство на линеен полиестер на D (-) – 3 -хидроксимаслена киселина като вътреклетъчни гранули, както в Грам-положителни, така и в Грам-отрицателни бактерии при условия на глад (Фиг. 11).
Фигура 11. Полихидроксибутират
Цената е основният недостатък на производството на PHB по време на индустриализацията. Промишленото производство на PHB е по-скъпо от това на петропластите. Производството на големи количества PHB се оценява около 4.4 USD/kg, т.е. далеч по-скъпо от производствената цена на полипропилена, която е близо до 1 USD/kg. Финансовите затруднения са несъмнено свързани с производствените разходи, както нагоре, така и надолу по веригата. Приблизително 40% и 50% от общите производствени разходи за PHB са присъщи съответно на суровините и системите за разделяне/пречистване. В техники за биоекстракция, генетичното инженерство е най-често използвано за въвеждане на микроорганизми и те са способни ефективно да екскретират PHB от натрупващи PHB клетки. Има няколко подхода, които са изследвани, включително бактериофагова система, медииран лизис и бактерии-хищници, които са по-добри от конвенционалните подходи за екстракция, които произвеждат екологично вредни разтворители, с по-високи разходи за разграждане. По този начин, поради неприемливите неекологични и неикономически свойства на конвенционалните методи за екстракция, се отделя повече внимание на системите за биоекстрация.
Биотехнология за ремедиация на замърсени места
Тази учебна единица е основно фокусирана върху технологиите, които позволяват изследването на микробиотата в почвата или сложните матрици. Основните технологии са изобразени по-долу (Фиг. 12).
Фигура 12: Техники за изучаване на сложността на микробиома
Култивационният подход е добре описан във видеото, което е произведено в рамките на Digit-Biotech. Този „класически метод“ предвижда идентифицирането на микроорганизми чрез изолиране на чисти култури, последвани от тестове, които анализират някои морфолого-физиологични и биохимични характеристики. Тези анализи често не са достатъчни за идентифициране на повечето видове микроорганизми и освен това се ограничават до култивируеми видове, които представляват много малък процент от всички видове, открити в природата. Тези тестове също имат сериозно ограничение че изискват значително време. Въпреки това, те имат голямо предимство при получаването чрез изолационния подход на целевите микроорганизми, които могат да бъдат използвани в биоредиационния подход.
През последните няколко десетилетия изследванията в областта на микробиологията са показали, че микробните общности играят функционална роля в контрола на екосистемите, които не се дължат на отделни видове, а за самите съобщества като „функционални единици“. Тази функционална дейност на микробните съобщества в много случаи е отговорна за важни процеси за хората, включително биоразграждането на оригиналните отпадъци в пречиствателните станции за отпадъчни води и депата, компостирането и като цяло всички процеси, при които се извършват химически трансформации на веществата. Денатурираща градиентна гел електрофореза (DGGE), PCR (или количествен PCR) и подхода на цял геном (високопроизводително секвениране и секвениране тип „пушка“) са основните технологии, използвани за изследване на микробните популации в околната среда.
DGGE: Това е техника на електрофоретично разделяне, използвана за разделяне и анализ на ДНК фрагменти, които се различават в нуклеотидната си последователност и по една базова двойка. В класическата електрофореза, проведена на агарозен или акриламиден гел, ДНК фрагментите се разделят на базата на молекулно тегло; Скоростта на движение намалява успоредно на увеличаването на дължината на фрагмента. Обратно, при DGGE фрагментите от ДНК с еднакво молекулно тегло се разделят съгласно типа денатурацията. Наличието на топлина или химически денатуриращи агенти позволява денатурирането на двете вериги на двойно-верижната ДНК (DSDNA) молекула. Температура и концентриране на денатуранта, към който се случва разделянето на двете вериги, силно зависят от последователността на самия фрагмент. По-специално, определящите фактори са: количеството водород, което са установено между допълнителните бази и вида взаимодействия, които са установени между базите в непосредствена близост на една и съща верига (взаимодействие с подреждане). Следователно, ДНК молекулата има области с характерни температури на топене или TM, определящи се от нуклеотидната последователност. ДНК фрагментите са почти идентични по молекулно тегло, но те също се различават по един нуклеотид, могат да се характеризират с ТМ, различни една от друга. Анализът чрез DGGE се провежда върху полиакриламиден гел, съдържащ денатуриращ градиент по такъв начин, че DSDNA да бъде обект, по време на увеличаване на условията на денатуриране с последващо разделяне при топилните домени. В горната част на гела, където има меки условия на денатуриране, топилните домени при по-ниски ТМ започват частично денатуриране, създавайки разклонени молекули с по-малка мобилност. Увеличаването на условията на денатуриране по полиакриламидния гел може да определи общото дисоциация на частично денатурираните фрагменти в едноверижна ДНК (SSDNA). Експериментално, пълното дисоциация на двете DSDNA нишките е възпрепятствано чрез въвеждане в края на всяка нишка, домейни, характеризиращи се с високо съдържание на G + C и High TM. G + C-богати региони са изкуствено създадени в единия край на DSDNA посредством включването на GC-скоба по време на амплификационни реакции. Включването на GC-скобата е възможно чрез използване на праймери, характеризиращи се с последователност от около 30-40 оC в 5 ‘края. Наличието на GC-скобата на една и съща последователност при крайника на всяка молекула причинява разликите между профилите на инсулт на анализираните фрагменти, които се определят главно чрез вариации в последователността на ниски топилни домейни. Тъй като TM се определя от нуклеотидната последователност, наличието на единична мутация е способно да генерира различен денатуриращ профил и следователно, различен електрофоретичен цикъл. Следователно, повтарянето на полиморфизмите в силно консервативни гени може да бъде анализирано от DGGE и може да предостави полезна информация за характеризиране на структурата на микробните общности. Всъщност, с денатурираща градиентна гел електрофореза, се получава електрофоретичен профил, образуван от серия от ленти, при който, като първо приближение, броят на лентите е пропорционален на броя на присъстващите видове и позицията на всяка лента е различна за всеки вид . Следователно, техниката на DGGE осигурява прост подход за получаване на профили на микробната общност, които могат да бъдат използвани за идентифициране на пространствени и времеви разлики в структурата на съобществото или за наблюдение на промените в структурата, които възникват в отговор на нарушения на околната среда.
PCR в реално време: Това е техника, която позволява да се амплифицира и в същото време да се определи количествено целевата ДНК последователност. Тя включва използването на флуоресцентни багрила, като например sybr зелено, което се интеркалира в малката примка на двойната спирала ДНК, или сонди със специфични последователности, състоящи се от олигонуклеотиди, маркирани с флуоресцентни багрила. Излъчената флуоресценция се измерва постоянно и осигурява информация в реално време за количеството произведен ампликон. От реакцията на амплификация се получава графика със сигмоидална крива; Тя започва възможно най-скоро при възможно по-голямо количество от началната ДНК и продължава да нараства с експоненциална тенденция, докато достигне максимална стойност (плато), в която реакцията ще се забави поради изчерпването на субстратите.
При изучаването на PCR графиката в реално време се определят три параметъра:
– флуоресцентна базова линия или базова линия;
– праговата линия, успоредна на основната линия;
– праговият цикъл или КТ, специфичен за всяка проба, идентифицира стойността на цикъла на PCR, в който кривата на експоненциалната фаза пресича праговата линия.
Повечето PCR инструменти в реално време са програмирани да четат дължини на вълните на SYBR зеления емисионен и възбуждащ спектър (съответно 495 nm и 537 nm). Тази боя е много чувствителна към светлина, тя се свързва само с двойно-верижна ДНК и следователно само до ново синтезирания ампликон. Пробите се определят количествено въз основа на калибровъчни криви, получени чрез използването на известни количества копия от 16 S rDNA гена. Сравнението между сигнала, излъчван от неизвестната проба с флуоресциращите стойности, използвани за конструирането на калибровъчната крива, позволява количествено определяне на специфични микробни видове. В допълнение към количественото измерване на целевите бактерии, интеркалаторите като SYBR зелени позволяват да се разграничат ампликоните с различна дължина и да се открият неспецифични амплификации, които могат да присъстват
Секвениране от ново поколение: Особеността на тази технология, въведена през 2006 г., се състои не само в способността да се посреща един ДНК фрагмент в даден момент, като се разширява този процес към милиони фрагменти едновременно, но също така и в способността за последователност на ДНК фрагменти в и двете посоки.
Първата стъпка включва едноверижни ДНК фрагменти в краищата на веригата наречени „индекс“, да се заредят върху поток от клетки, където те са прихванати на повърхността, съдържаща „олигонуклеотиди, все още комплементарни на индексите, върху които те са имобилизирани за подготовката на библиотеките. Хибридизацията между последните и ДНК фрагментите се появява чрез процеси на нагряване и охлаждане, последвано от инкубиране със специфични реагенти и изотермална полимераза. Чрез „мостова“ амплификация всеки фрагмент се усилва ясно от останалите, създавайки клъстер от клонове. Когато поколението на клъстера е завършено, генерираните модели, след подходяща денатурация, са готови за действително секвениране.
Illumina използва технология, базирана на верига, която завършва с флуоресцентни нуклеотиди с ОН при 3′ края; това гарантира, че се включена по една база за цикъл. Следва стъпка за снемане на изображения, за да се идентифицира нуклеотидът, включен във всеки клъстер и химическа стъпка за отстраняване на флуоресцентната група и терминалната OH група, за да се позволи включването на друга база в следващия цикъл.
В края на секвенирането, което отнема около 4 дни, последователността на всеки клъстер се подлага на процеси на подбор (подрязване), за да се елиминират ниско-качествените продукти. По време на анализа на данните фрагментите с различни дължини се подравняват и наслагат, като по този начин е възможно да се идентифицира последователността на изходната верига. В една стандартна процедура се анализират най-малко 40-50 милиона последователности.
Секвенирането тип пушка. Секвенирането тип пушка е последователно секвениране на всички геноми, присъстващи в сложна матрица, като например почвена проба. Следователно, секвенирането тип пушка е най-ефективният начин за секвениране на голяма част от ДНК. За това началната ДНК се разбива случайно на много по-малки парчета, нещо като обстрелване, като всяко от тези парчета след това се секвенира индивидуално. Получената последователност, генерирана от различните части, след това се анализира от компютърна програма, търсейки участъци от последователността от различните цикли, които са идентични един с друг. Когато се идентифицират идентични региони, те се припокриват помежду си, позволявайки двете последователности да се слепят заедно. Този компютърен процес се повтаря отново и отново, докато в крайна сметка не даде пълната последователност на началната част на ДНК. Първоначалното произволно фрагментиране и четене на ДНК даде на този подход името „секвениране тип пушка“.
Микробни технологии за здравето на пчелите
Множество биотични и абиотични видове стрес, като масовото използване на пестициди в селското стопанство и изменението на климата, компрометират оцеляването на опрашващите насекоми, с потенциално вредни последици както за агроекосистемите, така и за природните системи. Всъщност, пчелите са отговорни за опрашването на 84% от културните растителни видове, 35% от които са от световно значение и на 78% от дивите. Достатъчно е да се каже, че само 70% от семенните култури (като моркови, лук, чесън и т.н.) са строго зависими от опрашването от насекоми, както и 80% от 264-те видове култури, представляващи интерес в Европа. От това следва, че дейността на опрашващите насекоми, включително пчелите, играе съществена икономическа роля, чиято парична оценка е около 15 милиарда евро годишно само в Европа, докато в световен мащаб оценката нараства до 153 милиарда евро годишно.
В допълнение към огромната стойност за поддържане на биологичното разнообразие и баланс, присъстващи в различните екосистеми, пчелите доставят мед, пчелен восък, прополис, цветен прашец и пчелно млечице: в Европа данните, събрани през 2010 г., показват производство от около 220 000 тона мед с цени от 1,50 до 40 евро/кг в зависимост от района на произход. В Австралия например, производството на мед и пчелен восък годишно се движи около търговска стойност от 90 милиона долара, подчертавайки отново значението, което пчеларският сектор играе в панорамата на световната икономика. Пчелните семейства намаляват бързо от 6 милиона през 1940-те година на ХХ век до около 2,6 милиона днес. Наблюдава се висока годишна загуба на пчелни семейства, която се превръща в норма за пчеларите. Здравето на червата играе важна роля за вродения имунен отговор на гостоприемника и адаптивността към множеството стресови фактори, с които пчелите се сблъскват днес.
Маточниците, засегнати от феномена „Колапс на пчелните семейства“ (CCD) или „Синдром на обезлюдяване на кошера“, също показват значителни признаци на дисбаланс. Причините за този синдром все още не са ясни, но се смята, че те могат да се дължат на промени във факторите на околната среда, недохранване, наличие на патогени и масовата употреба на инсектициди. Симптоматологията вижда наличието на маточници, които изоставят ларвите си въпреки наличието на кралица, и липса на апетит към запасите от цветен прашец и нектар, които не се консумират веднага (Фиг. 13).
Фигура. 13. Общ изглед на Колапс на пчелните семейства
Една от възможните причини за това отмиране може да бъде свързана с дисбиоза на чревната микробиота, като промяна по отношение на микробното количество и състав. С този термин определяме явление, което влияе отрицателно върху полезните функции на микробиотата и което е свързано със специфични метаболитни дисбаланси. Всъщност, тези недостатъци биха могли да създадат сериозни проблеми в развитието на младите възрастни, като повлияят на способността им да развиват гени на резистентност, включително тези за синтеза на вителогенин, и чрез инхибиране на функциите на имунната система, като се имат предвид доказателствата, че същата микробиота насърчава неговата ефективност (Фиг. 14).
Фигура 14. Последици от промяната в състава на чревните микроби при пчелите
Преди няколко години се опитахме да разберем кои фактори могат да дестабилизират микробиотата, стигайки до заключението, че дисбиозата се причинява както от биотични, така и от абиотични фактори. Като се има предвид биотичния стрес, беше установено, че диетата, наличието на специфични патогени и нарушения (например, CCD) и неблагоприятните условия на околната среда играят фундаментална роля. Липсата на хранителни вещества има разрушително въздействие върху нормалното развитие на чревната микрофлора, последствие от което е повишаване на смъртността на пчелите, както и повишаване на податливостта към болести и патогени. Освен това, аномалните температури предизвикват състояние на стрес у гостоприемниците, рефлектиращо в драматични последици върху симбионтите.
Като се имат предвид абиотичните стресови фактори, щетите се дължат почти изцяло на използването на инсектициди, фунгициди, акарициди и антибиотици. Всъщност, по време на фуражните операции пчелите рискуват да погълнат непряко и да срещнат активните съставки, както върху основните третирани култури, така и върху съседните, подложени на дрейф. Това може да причини сериозни проблеми и дисбаланс в метаболизма и имунната защита: съществува възможност излагането на определени вещества да попречи на способността на пчелите да регулират своята микробна чревна популация.
Поради тези причини, една от най-иновативните бъдещи перспективи има за цел да разбере задълбочената връзка между микроорганизмите и пчелите, за да подобри драматичния им живот и условия.
Дисбиоза на червата: пример
Предвид нарастващия интерес, който общественото мнение проявява към този продукт, първият обективен анализ пада върху ефекта на глифозат (N-фосфонометил-глицин). Това е неселективен системен хербицид след поникване, т.е. тотален хербицид. Механизмът му на действие прекъсва метаболитния път, отговорен за синтезата на фенилаланин, тирозин и триптофан, инхибирайки синтезата на 3-фосфошикимат-1-карбоксивинилтрансфераза (EPSP синтаза). Този хербицид винаги се е смятал за един от най-малко токсичните продукти за животните, тъй като те не притежават този метаболитен път. Въпреки това е доказано, че може да засегне нецелеви организми – проявява силно токсични ефекти върху земните червеи, микроводораслите, водните бактерии, ризосферата и ендофитите. Въздействайки върху бактериите, трябва да се подчертае, че ефектите са открити и при чревни микроорганизми и симбионти по фауната в съседство със земеделски площи, включително пчели.
По-конкретно, Motta et al. (2018) провеждат проучване, насочено към характеризиране на микробиотата на пчелите, изложени на глифозат, като заключава, че абсолютното изобилие от S. alvi, G. apicola, Lactobacillus sp. и Bifidobacterium sp. (Фиг. 15) е претърпяло значително намаляване.
Фигура 15. Анализ на чревната микробиота на пчелите
Продуктът компрометира бактериалната флора, като спира растежа й, без обаче да я убива директно; следователно предполага се, че ефектът е върху клетъчното делене през първите дни на колонизация. Пчелите, които срещат хербицида на полето, всъщност пренесат активната съставка в кошера, която, тъй като е много стабилна и неразтворима във вода, би могла да остане на повърхностите дълго време. По същия начин, дори на полето, постоянството означава, че замърсяването може да продължи дълго време. Следователно, вътре в кошера дифузията чрез трофалаксия и контакт с други пчели означава, че продуктът достига до младите ларви, хранени от възрастни, непоправимо променяйки развитието на полезните видове симбионти.
Как се придобива микробиотата?
Фигура 16. Жизненият цикъл на пчелите
Естествените бактерии, попадащи в пчелите от цветята, докато събират нектар и цветен прашец, се намират предимно в средната и задната част на медоносните пчели. Чревните бактерии, естествено открити в пчелите, са динамични. По време на развитието на ларвите (Фиг. 16) бактериалната популация се колебае. Ларвите получават някои бактерии от пчелите кърмачки, които ги хранят. По време на стадия какавида, лигавицата на червата се отделя, а червата на новопоявилата се възрастна пчела са стерилни. Червата бързо се колонизират повторно с характерна микробиота. Как става това? Основните пътища са орална трофалаксия, взаимодействие с кошерен материал и фекално-орално предаване. По-специално, характерната микробиота на възрастните пчели започва да се развива около четири дни след появата им.
Въпреки че факторите, позволяващи еволюцията на микробиотата за всяко живо същество, все още са неизвестни, доказано е, че социалните пчели притежават отличителна микрофлора в зависимост от семейството, към което принадлежат. Например, анализирайки микробиотата на различни родове еусоциални карбикулатни Apoidea като Bombus spp., Megachile spp. и Apis spp., основните бактериални родове са повтарящи се (Snodgrassella spp., Gilliamella spp., Bifidobacterium spp. и Lactobacillus spp.), но видовете варират по отношение на вида насекоми. Оттук произтича хипотезата, според която микробиотата е резултат от динамична съвместна еволюция на микроорганизми и гостоприемници, в зависимост от околната среда и от генотипните вариации, на които видът е бил подложен през вековете, чието богатство също е свързано с размера на отделни пчели и цели семейства. Всъщност, установяването на специфична за вида микрофлора е резултат от дълга селекция, при която са установени оптималните полезни съотношения както за микроорганизмите, така и за гостоприемниците.
Кои и къде са те?
Изчислено е, че в червата на възрастни пчели работнички има около 1 милиард бактериални клетки, 95% от които са разположени, по-специално в задната част на червата (Фиг. 17). Тук се отбелязва специфична диференциация между илеума и ректума; като в първия има три вида протеобактерии G. apicola, F. perrara и S. alvi, които образуват плътен биофилм в съответствие с малпигиевите тръби и който продължава по дължината на илеума. В ректума обаче, преобладава гъста бактериална общност, образувана от три класа грам-положителни бактерии, Firmicutes (Firm-4, Firm-5) и Bifidobacteria. Що се отнася до средното черво, установено е, че има главно Lactobacillus spp. и Acetobacteraceae, тоест онези таксони, които се срещат и в цветния прашец, нектар и по-общо в кошера. Следователно, може да се каже, че предварително адаптирана микробиота не съществува в средната част на червата и че тя варира в зависимост от околната среда и хранителните навици на индивида. В количествено отношение тук има много по-малко изобилна флора, отколкото в ректума. Средното черво също съдържа малко бактерии и тези присъствия са по-концентрирани в прокамерната област, съседна на задната част на червата.
Фигура 17. Основната микробиота на пчелите
Какви са функциите на чревната микробиота?
През последните няколко години научната общност започна да проявява все по-голям интерес към ролята, която микробиотата играе за благосъстоянието на пчелите (Фиг. 18). Многобройни проучвания и изследвания показват, че взаимодействията с гостоприемника имат поддържащи ефекти както на метаболитно и хранително ниво, така и по отношение на имунния отговор към патогени. Що се отнася до хранителната подкрепа, балансираната бактериална флора е необходима за правилното усвояване на хранителните вещества, тъй като благодарение на ензимната си активност, тя участва в разграждането на сложните захари. Освен че са отговорни за наличието на целулази, хемицелулази и лигнинолитични ензими в червата, полезни за процеса на храносмилане на поленови зърна, богатството на видовете е такова, че позволява съвместното съществуване на различни пътища на катализа на захарта (особено за Gammaproteobacteria, Firmicutes and Bifidobacteriaceae). Всъщност, изчислено е, че 91% от протеиновите транскрипти, свързани с храносмилането на растителни макромолекули и с ферментационните явления на мономерни субединици, се произвеждат от бактерии. Друг конкретен пример се отнася до пектин-лиази, способни да разграждат пектините, присъстващи в клетките на стената на поленовите зърна. Последното също е отличен показател за високата генетична вариабилност и адаптивност в рамките на един и същи вид микроорганизми. Всъщност се вижда, че само някои щамове на G. apicola ги притежават, докато други са напълно лишени от тях. Важността на по-големия храносмилателен капацитет и следователно, способността да се метаболизират хранителни вещества, които не могат да бъдат разрушени, е доказана в различни проучвания. Zheng et al. (2017), например, сравнявайки пчелите с нормална микробиота и други без чревна флора, подчертават значителни физиологични различия. В първите симбионтите повлияват положително размера на червата, теглото на индивидите, стойностите на вителогенин и инсулин и чувствителността към захари. След това тези открития предполагат, че микробиотата може да повлияе на апетита и растежа на тялото на пчелите чрез увеличаване на сигналите, свързани с наличието на инсулин.
В допълнение към хидролизата на сложни въглехидрати, чревните микроорганизми произвеждат полезни метаболитни субстрати, като витамин В и мастни киселини с къси вериги. Например, родовете Lactobacillus sp. и Bifidobacterium sp. участват в процесите на ферментация на цветен прашец и нектар, така че се считат за отговорни за витаминната стойност на меда. Феноменът на симбиоза с гостоприемника надхвърля хранителната и метаболитната подкрепа: микробиотата играе важна роля в поддържането на имунната система. Всъщност, на първо място, бактериите биха могли директно да стимулират производството на собствените защитни молекули на пчелата. След контакта между епителната повърхност и пептидогликана (основен компонент на клетъчната стена на грам-положителни бактерии), имунната система може да активира гените за производство на 6 антимикробни пептида като: абаецин, хименоптаецин, апидицин, дефензин-1 и дефензин -2. Следователно, производството на тези съединения се засилва от промените в самите микробни мембрани и може също да бъде предизвикано от излагане на някои патогенни и непатогенни микроорганизми. Например, Frischella perrara, симбионт, който колонизира илеума в задната част на червата, преди всичко стимулира производството на апидицин. Второ, микробиотата може да е пряко отговорна за производството на антимикробни съединения, което се потвърждава от многобройни изследвания. Saraiva et al. (2015), например, документира наличието на множество гени, участващи в биосинтезата на стрептомицин и на вторични метаболити, експресирани от симбионти и които могат да играят роля в поддържането на микробиотата.
Фигура 18. Функции на чревната микробиота на пчелите
Какво можем да направим?
Индивидуалният и общ опит показва, че при хора и животни, биотичният и абиотичният стрес биха могли да повлияят негативно на състава на чревната микробиота и следователно да предизвикат специфични промени в дейността на микроорганизмите на нивото на червата.
Трябва да се запитаме дали някакъв вид модулация на микробиотата, чрез прилагане на избрани щамове, може да възстанови това смущение, да намали смъртността на пчелите и/или да подобри здравето им.
Пробиотиците са „живи микроорганизми, които, когато се прилагат в адекватни количества, носят полза за здравето на гостоприемника, с изключение на биотерапевтичните средства и полезни микроорганизми, които не се използват в храната“ (FAO / WHO, 2001). Следователно, тяхното прилагане не трябва да бъде свързано с отрицателни ефекти върху организмите и околната среда. Начинът на действие на тези микроорганизми може да бъде обобщен в следните функции:
- ЗАЩИТНА ФУНКЦИЯ: дислокация на патогени, конкуренция за хранителни вещества, конкуренция с рецептори и производство на антимикробни молекули (напр., бактериоцини, органични киселини …);
- СТРУКТУРНА ФУНКЦИЯ: бариерен ефект, биофилм върху стената на чревните власинки, развитие на имунната система;
- МЕТАБОЛИЧНА ФУНКЦИЯ: диференциация и пролиферация на чревни епителни клетки, катализа на канцерогенни вещества, присъстващи в храната, синтеза на витамини, ферментация на несмилаеми захари, абсорбция на йони и пестене на енергия.
Изглежда обаче, че основният механизъм на действие на пробиотиците е стимулирането на имунната система: след кохезия с чревната стена те са в състояние да стимулират поредица от каскадни сигнали, които активират синтезата на антимикробни пептиди. На практика, те са в състояние да изпълняват така описаните задачи, които микробиотата на пчелата естествено изпълнява, което се оказва хипотетично оптимално средство за опазването и оптимизирането й, както и за подобряване на перспективите за живота на пчелата.
Както при храненето на хора и животни, основните бактерии, считани за способни да постигнат тези ползи, са Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacillus spp.
В заключение, използването на пробиотиците наскоро започна да се оценява и в самия кошер. Всъщност, въпреки че пчелите предпочитат да консумират пресен прашец, при определени условия, като сезонност, те трябва да се снабдяват със съхранените запаси. Влажната среда (50-60% относителна влажност), която се създава след събирането на цветен прашец, увеличава риска от неконтролиран бактериален и преди всичко растеж на гъбички. Има ясна необходимост да се защитят запасите вътре в кошера, за да се избегнат инфекции, които биха могли да доведат до фатални резултати, като калцирани ларви, причинени от Ascosphaera apis, или чревни инфекции, дължащи се на Nosema spp.
Тест: РО7 Ниво за напреднали
Библиография
- EFSA (2009). Bee mortality and bee surveillance in Europe.CFP/EFSA/AMU/2008/02
- Motta EVS, Raymann K, Moran NA. 2018. Glyphosate perturbs the gut microbiota of honeybees. Proc Natl Acad Sci USA, pp. 1-6
- Zheng H, Powell JE, Steele MI, Dietrich C, Moran NA. 2017. Honeybee gut microbiota promotes host weight gain via bacterial metabolism and hormonal signaling. Proc Natl Acad Sci USA, 114: 4775-4780
- Saraiva MA, Zemolin APP, Franco JL, Boldo JT, et al. 2015. Relationship between honeybee nutrition and their microbial communities. Antoine Van Leeuwenhoek, 107: 921-933
- FAO/WHO (2001). Health and nutritional properties of probiotics in food including powder milk with live lactic acid bacteria. Food and Agriculture Organization of the United States, World Health Organization
- Kainthola J, Kalamdhad AS, Goud VV. 2019. A review on enhanced biogas production from anaerobic digestion of lignocellulosic biomass by different enhancement techniques. Process Biochemistry, 84: 81-90
- Shamurad B, Sallis P, Petropoulos E, Tabraiz S, Ospina C, Leary P, et al. 2020. Stable biogas production from single-stage anaerobic digestion of food waste. Applied Energy, 263: 114609
- Kumar M, Dutta S, You S, Luo G, Zhang S, Show PL, et al. 2021. A critical review on biochar for enhancing biogas production from anaerobic digestion of food waste and sludge. Journal of Cleaner Production, 127143
- Azhar, S. H. M., Abdulla, R., Jambo, S. A., Marbawi, H., Gansau, J. A., Faik, A. A. M., & Rodrigues, K. F. (2017). Yeasts in sustainable bioethanol production: A review. Biochemistry and Biophysics Reports, 10, 52-61.
- Galbe M, Zacchi G. 2007. Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production. Biofuels, 41-65.
- Kim S, Dale BE. 2004. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and bioenergy, 26(4): 361-375.
- Vilpoux O, Averous L. 2004. Starch-based plastics. Technology, use and potentialities of Latin American starchy tubers, 521-553.
- Sin LT. 2012. Polylactic acid: PLA biopolymer technology and applications. William Andrew.
- Koh JJ, Zhang X, He C. 2018. Fully biodegradable Poly (lactic acid)/Starch blends: A review of toughening strategies. International journal of biological macromolecules, 109: 99-113.
- Poltronieri P, Kumar P. 2017. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) in industrial applications. Handbook of Ecomaterials. Cham: Springer International Publishing, 1-30.
- Yu CJ, Wan YJ, Yowanto H, et al. 2001. Electronic detection of single-base mismatches in DNA with ferrocene-modified probes. J Am Chem Soc, 123:11155–61.
- Yu X, Kim SN, Papadimitrakopoulos F, et al. 2005. Protein immunosen- sor using single-wall carbon nanotube forests with electrochemical detection of enzyme labels. Mol Biosyst, 1:70–8.
- EFSA (2009). Bee mortality and bee surveillance in Europe.CFP/EFSA/AMU/2008/02
- Motta EVS, Raymann K, Moran NA. 2018. Glyphosate perturbs the gut microbiota of honeybees. Proc Natl Acad Sci USA, pp. 1-6
- Zheng H, Powell JE, Steele MI, Dietrich C, Moran NA. 2017. Honeybee gut microbiota promotes host weight gain via bacterial metabolism and hormonal signaling. Proc Natl Acad Sci USA, 114: 4775-4780
- Saraiva MA, Zemolin APP, Franco JL, Boldo JT, et al. 2015. Relationship between honeybee nutrition and their microbial communities. Antoine Van Leeuwenhoek, 107: 921-933
- FAO/WHO (2001). Health and nutritional properties of probiotics in food including powder milk with live lactic acid bacteria. Food and Agriculture Organization of the United States, World Health Organization
- Kainthola J, Kalamdhad AS, Goud VV. 2019. A review on enhanced biogas production from anaerobic digestion of lignocellulosic biomass by different enhancement techniques. Process Biochemistry, 84: 81-90
- Shamurad B, Sallis P, Petropoulos E, Tabraiz S, Ospina C, Leary P, et al. 2020. Stable biogas production from single-stage anaerobic digestion of food waste. Applied Energy, 263: 114609
- Kumar M, Dutta S, You S, Luo G, Zhang S, Show PL, et al. 2021. A critical review on biochar for enhancing biogas production from anaerobic digestion of food waste and sludge. Journal of Cleaner Production, 127143
- Azhar, S. H. M., Abdulla, R., Jambo, S. A., Marbawi, H., Gansau, J. A., Faik, A. A. M., & Rodrigues, K. F. (2017). Yeasts in sustainable bioethanol production: A review. Biochemistry and Biophysics Reports, 10, 52-61.
- Galbe M, Zacchi G. 2007. Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production. Biofuels, 41-65.
- Kim S, Dale BE. 2004. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and bioenergy, 26(4): 361-375.
- Vilpoux O, Averous L. 2004. Starch-based plastics. Technology, use and potentialities of Latin American starchy tubers, 521-553.
- Sin LT. 2012. Polylactic acid: PLA biopolymer technology and applications. William Andrew.
- Koh JJ, Zhang X, He C. 2018. Fully biodegradable Poly (lactic acid)/Starch blends: A review of toughening strategies. International journal of biological macromolecules, 109: 99-113.
- Poltronieri P, Kumar P. 2017. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) in industrial applications. Handbook of Ecomaterials. Cham: Springer International Publishing, 1-30.
- Yu CJ, Wan YJ, Yowanto H, et al. 2001. Electronic detection of single-base mismatches in DNA with ferrocene-modified probes. J Am Chem Soc, 123:11155–61.
- Yu X, Kim SN, Papadimitrakopoulos F, et al. 2005. Protein immunosen- sor using single-wall carbon nanotube forests with electrochemical detection of enzyme labels. Mol Biosyst, 1:70–8.