2014 - Автоматизированная информационная система ГУ имени

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-25.1.95/
УМКД
03-2014
Учебно-методические
Редакция № 1 от
материалы по дисциплине
11.09.2014 г.
«Экологические
биотехнологии»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ»
для специальности 5В060800 – «Экология»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
УМКД 042-18-25.1.95/03-2014
Ред. № 1 от 18.09.2013 г.
1
Глоссарий
2
Лекции
3
Практические занятия
4
Самостоятельная работа студента
Страница 2 из 119
2 Конспект лекций
Тема 1 Исторические факты развития экологической биотехнологии.
План лекции
1.
Исторические факты развития экологической биотехнологии.
2.
Предмет и задачи экологической биотехнологии, ее значение в современном обществе.
3.
Биогеохимические циклы.
4.
Роль микроорганизмов в кругообороте веществ.
5.
Схемы кругооборота углерода, кислорода, азота и серы.
6.
Взаимосвязь микроорганизмов в естественных экосистемах – почвах и водоемах.
Межвидовые отношения и взаимоотношения микроорганизм – растение.
7.
Синтрофизм
Оформление экологии как части биологической науки относится к середине XIX в. и
связывается в первую очередь с именем Э.Геккеля (1834-1919). Однако истоки экологических
знаний прослеживаются с древности. Еще в трактате Гиппократа «О воздухе, воде и местности»
(около 390 г. до н. э.) содержатся сведения о влиянии условий окружающей среды на здоровье
человека. Некоторые факты и трактовки экологической направленности встречаются в трудах
Аристотеля ("О возникновении животных» ок. 340 г. до н. э.), а также в сочинениях Лукреция (I
в. до н. э.) и Плиния (I в. н. э.).
В Новое время среди предшественников Геккеля должны быть названы в первую очередь
выдающиеся биологи Ж.Л.Бюффон (1707-1788), Ж. Б.Яамарк (1744-1829), А Гумбольдт (17691859) и, конечно же, Ч.Дарвин (1809-1882), все труды которого имели четкую эволюционноэкологическую направленность. Эти ученые накопили факты, заставившие рассматривать
взаимоотношения организмов со средой обитания как особую и чрезвычайно важную область
естествознания.
В России эти идеи разрабатывал К.Ф.Рулье (1814-1858), считающийся
основоположником отечественной экологии. Большой вклад в ее становление внесли
биогеографические изыскания А.Ф.Миддендорфа (181 5-1894), Н.М.Пржевальского (18391888), Н.А.Северцева (1827-1885), П.П.Семенова-Тяншанского (1827-1914), работы В.
В.Докучаева (1846-1903) по почвоведению, экологические исследования зоолога А.А.
Силантьева (1868-1918).
В первой половине XX в. достигла расцвета б и о э к о л о г и я . Решающее значение
имел переход от экологии отдельного организма -а у т э к о л о г и и к изучению популяций и
многовидовых природных сообществ растений и животных - с и н э к о л о г и и и б и о ц е - н о
л о г и и. Основные достижения в этой области связаны с именами С.Форбса (1907),
В.Шелфорда (1907), Ф.Клементса (1916), А.Тенсли (1920), Ч.Элтона (\9П),Д.Н.Кашкарова
(1933), В.Н.Сукачева (1946).
Основы математической экологии были заложены работами А.Лотка (1925) и
В.Вольтерра (1926). Заметный вклад в экологию внесен трудами Н.И.Калабухова (1946, 1950,
1969), АД. Слонима (1952, 1961, 1972) по эслериментальной экологии и экологической физиологии; исследованиями В.С.Ивлева (1959, 1977), Г.Одума и Ю.Одума (1957, 1972) по
экологической энергетике. В развитии теоретической экологии существенную роль сыграли
работы Н.В.Тимофеева-Ресовского (1968) и А.А.Любищева (1972).
С середины столетия все большее значение приобретают исследования в области
биосферологии, начатые В.И.Вернадским (1863-1945) еще в 20-х годах Одновременно
общеэкологические подходы распространяются на экологию человека и факторы антропогенных
воздействий. Ярко выступает зависимость экологического состояния различных стран и регионов
планеты от развития экономики и структуры производства. Быстро растет дочерняя область экологии
- наука об окружающей человека среде с ее прикладными отраслями. Экология оказывается в центре
острых общечеловеческих проблем. Это подтвердили в 60-х - начале 70-х годов исследования
В.А.Ковды по техногенному воздействию на земельные ресурсы, разработки Н.Н.Моисеева по
модели «ядерной зимы», труды М.И.Будыко по техногенным воздействиям на климат и по
глобальной экологии. Большую роль сыграли доклады Римского клуба - коллектива авторитетных
специалистов по системной динамике и глобальному моделированию (Дж.Форрестер, ДМедоуз,
М.Месарович, Э.Пестель), а также представительная Конференция ООН по окружающей среде и
развитию в Стокгольме в 1972 г. Ученые указывали на угрожающие последствия неограниченного
антропогенного воздействия на биосферу планеты и на тесную связь экологических,
экономических и социальных проблем.
Внимание политических деятелей разных стран привлечено к экологическим проблемам
благодаря работам Международного Института Жизни и выступлениям ряда крупных ученых,
в частности, выдающегося океанолога Ж.-И. Кусто, экономиста-эколога Мориса Стронга,
премьер-министра Норвегии Г.Х.Брундтланд, возглавившей Комиссию ООН по окружающей
среде и развитию (МК.ОСР). Исключительное значение имел доклад этой Комиссии «Наше общее
будущее» (1987).
В 1992 г. Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро
выдвинула экологические проблемы человечества на первое место в «повестке дня» XXI века (см.
гл. 8).
В СССР исследования этого направления сдерживались сокрытием информации об
экологическом состоянии страны. Только после Чернобыльской катастрофы и прорыва гласности
появились важные обобщения, касающиеся состояния природных ресурсов, техногенного
загрязнения среды и здоровья населения страны. В резком подъеме экологического сознания и
разработке перспективных программ большую роль сыграли исследования и выступления видных
российских ученых - Н.Н.Воронцова, В.Г.Горшкова, С.П.Залыгина, К.Я.Кондратьева,
М.Я.Лемешева, К.СЛосева, Н.Н.Моисеева, П.ГОлдака, Н.Ф.Реимерса, А.В.Яблокова.
У экологии есть множество определений. Чаще всего она определяется как наука о
взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания. Термин «экология» (от греч.eco —
жилище, обитель, дом и logos— слово, учение) ввел в научный обиход выдающийся немецкий
биолог Эрнст Геккель (1866).
В его трактовке экология — «это познание экономики природы, одновременное
исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды». Запомним выражение «экономика природы», оно важно для понимания
количественных сторон экологии и ее связи с экономикой человека.
После Геккеля в понятие экологии вносились различные смысловые оттенки, которые
расширяли или сужали предмет этой области знания.
Постепенно экологические закономерности стали относить к совокупностям организмов
— популяциям, видам, многовидовым сообществам, наконец, к живой природе в целом.
Экология приобрела статус науки об организации и функционировании надорганизменных
биологических систем всех уровней.
В последние десятилетия, когда угроза глобального экологического кризиса коснулась
самого человека, произошло быстрое расширение экологии. Вобрав в себя проблемы
окружающей среды, она не только использует достижения других разделов биологии, но и
вторгается в смежные с биологией дисциплины — в науки о Земле, в физику и химию, в
различные инженерные отрасли, предъявляет новые требования к информатике и
вычислительной технике, находит приложения за пределами естественных наук - в экономике, политике, социологии, этике. Экология
становится гипернаукой. Этот процесс проникновения идей и проблем
экологии в другие области знания получил название экологизации.
Эрнест Геккель (1834-1919) - немецкий естествоиспытатель,
последователь Ч. Дарвина.
В 1866 г. сформулировал в виде биогенетического закона
установленную еще Дарвином взаимозависимость между индивидуальным развитием особи (онтогенезом) и развитием ее предков
(филогенезом). Наиболее известные труды: Общая морфология
организмов (1866), Антропогения или История развития человека (1874), Мировые загадки
(1899) и Чудеса жизни (1904).
В 1866 г. впервые ввел термин «экс логия» в научный обиход, дал следующее
определение экологии,Это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений
живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно
неантагонистические и антагонистические взаимоотношения животных и растений,
контактирующих друг с другом. Одним словом, экология - это наука, изучающая все сложные
взаимосвязи и взаимотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за
существование
Экологизация отвечает потребности общества в объединении науки и практики для
предотвращения экологической катастрофы. Обращение разных наук к проблемам экологии и
окружающей человека среды содержит постановку и решение многих практических задач.
Экологизация отражает также важную тенденцию современной науки: переход многих ее
отраслей к отказу от дальнейшей дифференциации («мир един», «природа не знает факультетов») и поискам синтеза, в том числе между естественными и гуманитарными науками.
Экология превратилась из частного раздела биологии, знакомого узкому кругу специалистов, в
обширный и еще окончательно не сформировавшийся комплекс фундаментальных и
прикладных дисциплин, который Н.Ф.Реймерс (1992) назвал мегаэкологией, т.е. «большой
экологией».
2. С момента своего зарождения человеческое общество в процессе хозяйственной
деятельности нарушало равновесие в природе: уничтожало крупных животных, выжигало леса
для охоты, пастбищ, земледелия, а также загрязняло почвы и водоемы в местах поселения и пр.
Поэтому перед ним всегда стояла проблема окружающей среды. В результате промышленной,
сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека возникают различные изменения
состояния и свойств окружающей среды, в том числе очень неблагоприятные. С развитием и
интенсификацией промышленной и сельскохозяйственной деятельности в ХХ веке стали
ощущаться пределы естественной продуктивности биосферы, – истощаются природные
ресурсы, источники энергии, все более ощущается дефицит пищи, чистой воды и воздуха.
Загрязнение окружающей среды во многих регионах достигло критического предела. Во
многом все эти проблемы порождены научно-техническим прогрессом общества и должны
решаться также с использованием новейших достижений.
Проблему экологии нельзя решать в масштабах одной страны или группы стран.
Вредные антропогенные загрязнения, вырабатываемые в индустриально развитых регионах и
странах, в результате естественной циркуляции водных и воздушных масс распространяются по
всей территории Земли, вплоть до обоих полюсов, проникают в глубины океанов, достигают
стратосферы. Глобальность данной проблемы еще в 1899 г. подчеркивал К. А. Тимирязев.
Опровергая мнение крупных ученых Англии, предрекающих близкую гибель человечества от
голода и удушения, он писал: «В первый раз человечество столкнется с бедствием всеобщим.
Перед ним будут все равны, и мысль о всеобщей солидарности людей не будет уже пустым
звуком... и тогда, конечно, найдутся меры борьбы со злом и средства его предупреждения».
Важнейшая роль в вопросах защиты и охраны окружающей среды принадлежит
биологии. Сама экология в традиционном понимании является биологической дисциплиной и
изучает взаимоотношения организмов, включая человека, между собой и окружающей средой.
Дальнейшее развитие биологии и внедрение ее достижений в практику – один из главных путей
выхода из надвигающегося экологического кризиса. Большую роль играет при этом
биотехнология. Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту
окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию
токсикантов, попавших в среду, а также сама создает малоотходные промышленные процессы
получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии.
Масштабы биологических процессов для решения природоохранных задач могут быть, по
выражению Д. Беста, «ошеломляющими». Экология и биотехнология взаимодействуют как
через продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной
деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.
3. Биоэкология — праматерь всей экологии. Главная ее часть — системная экология,
экология естественных биологических систем: особей, видов {аутоэкология); популяций
{популяционная экология, или демэкология); многовидовых сообществ, биоценозов
{синэкология); экологических систем {биогеоценология, учение об экосистемах).
Другая часть биоэкологии — экология систематических групп организмов — царств
бактерий, грибов, растений, животных, а также более мелких систематических единиц: типов,
классов, отрядов и т.п.
Еще одно подразделение составляет эволюционная экология — учение о роли
экологических факторов в эволюции.
Именно в биоэкологии на основе изучения роли потоков веществ, энергии и информации
в жизнедеятельности организмов формируется представление об экологии как об экономике
природы.
4. Общие понятия. Согласно общей теории систем система — это реальная или
мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием
между частями (элементами) системы. Мы будем рассматривать только реальные материальные
системы. По Р.Шеннону (1978), «система определяется как совокупность объектов,
объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для
выполнения заданной функции».
В материальном мире существуют определенные иерархии — упорядоченные
последовательности соподчинения и усложнения. Они служат эмпирической основой
системологии. Все многообразие нашего мира можно представить в виде трех последовательно
возникших иерархий (рис. 2.1). Это природная, физико-биологическая (Ф—Б), социальная (С) и
техническая (Т) иерархии. Объединение систем из разных иерархий приводит к смешанным
классам систем — экологическим или экономическим.
5. Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств составляющих ее
частей. Решающее значение имеет именно взаимодействие между элементами. По отдельным
деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые
формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника.
Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она
состоит, определяет эмерджентность системы.
Рис. 1. Иерархии материальных систем;
Ф — физическая (физико-химическая), Б — биологическая, С — социальная,
Г — техническая
Принцип необходимого разнообразия элементов. Система не может состоять из
абсолютно идентичных элементов. Никакая система не может быть организована из элементов,
лишенных индивидуальности. Нижний предел разнообразия — не менее двух элементов (болт и
гайка, белок и нуклеиновая кислота, он и она), верхний — бесконечность. Разнообразие
микроскопических свойств частей системы, наличие в ней разных фазовых состояний вещества
определяет гетерогенность системы.
Устойчивость. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над
внешними определяет ее устойчивость и способность к самосохранению. Внешнее воздействие
на биологическую систему, превосходящее энергетику ее внутренних взаимодействий,
приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость (стационарное
состояние) динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней
циклической работой («принцип велосипеда»). Для этого необходимы проток и преобразование
энергии в системе.
По виду обмена веществом и/или энергией с окружающей средой различают:
а) изолированные системы (никакой обмен не возможен);
б) замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в
любой форме);
в) открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией).
Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и
информации, носят название динамических. Динамические системы являются принципиально
открытыми. Перенос информации возможен только в них. Любая живая система представляет
собой динамическую и, следовательно, открытую систему. Расчет количественного
соотношения между энергией и информацией приведен в приложении П2.
Принцип эволюции: возникновение и существование всех систем обусловлены
эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону
усложнения организации и возникновения системной иерархии — образования подсистем в
структуре системы (кооперативный, системообразующий принцип). Эволюция состоит из
последовательного закрепления таких отклонений от стационарного состояния, при которых
проток энергии через систему возрастает. Следствием увеличения сложности и разнообразия
является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее ступеней, равноценных по
качественным сдвигам.
Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого образа, называемого
моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и
формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде
логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.
6. Сложность структуры системы определяется числом п ее элементов и числом т
связей между ними. Если в какой-то системе исследуется число частных дискретных состояний,
то сложность системы Нт определяется логарифмом числа связей:
(2.1)
Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: системы,
имеющие до тысячи состояний (0 < Нт < 3), относятся к простым; до миллиона состояний (3 <
Нт < 6) — к сложным; свыше миллиона (Нт > 6) — к очень сложным. Все реальные природные
биосистемы очень сложны. Даже в структуре единичного вируса число биологически значимых
молекулярных состояний на несколько порядков больше.
Есть и другой критерий сложности, связанный с поведением системы, ее реакцией на
внешнее воздействие. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив
поведения (в том числе и с помощью случайного механизма), то такая решающая система
считается сложной. Сложной будет и любая система, включающая в себя в качестве
подсистемы хотя бы одну решающую систему.
Разнообразие состава или взаимосвязей в системе оценивается по показателю Симпсона
как
(2.2)
или по формуле К.Шеннона:
(2.3)
где Д Н — индексы разнообразия, рi — нормированная относительная численность i-го вида
элементов в совокупности и видов (Σрi— 1).
Оба показателя имеют максимум при равенстве значимости всех видов в совокупности
(рi = 1/л для всех /). Эти показатели важны при количественной оценке биоразнообразия
экосистем и принципиально отличаются от числа представленных в экосистеме видов.
Оценка относительной организации системы, зависящей от сложности и разнообразия
состава, рассчитывается по формуле:
По этому параметру системы также разделяются на три группы. Если R мала (0 < R <
0,1), система считается вероятностной, неустойчивой, обладающей малой жесткостью и
способной гибко изменять свои состояния. Если R сравнительно велика (0,3 < R < 1), то система
считается детерминированной, т.е. консервативной, жесткой, устойчивой. Промежуточное
положение занимают квазидетерминированные системы (0,1 < R < 0,3). Большинство
природных биосистем имеет вероятностный, или квазидетерминированный характер.
Биологические индивидуумы, организмы, виды (квазидетерминированные системы)
обладают системной иерархией структур и функций, в которой по мере усложнения
организации возрастает разнообразие системных качеств. В ходе эволюции таких систем всё
отчетливее выделяются структуры и механизмы регулирования и управления всеми внутренними процессами, доходящие у высших животных до центральной нервной системы, а в
социумах — до государственной администрации. В отличие от них природные вероятностные
системы, состоящие из большого числа отдельных, разнообразных, слабо скоррелированных
индивидуумов, хотя и могут обладать иерархией положений особей, но не имеют и не нуждаются в выделенной внутренней системе управления. Они способны к самоподдержанию и во
многих случаях без каких бы то ни было «центральных регуляторов» обнаруживают
удивительно тонкую и точную авторегуляцию.
Рекомендуемая литература:
1.
Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов.- М.: ЮНИТИ, 1998. С.1620 .
2.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
3.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
1.
2.
3.
4.
5.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных
вод. –Л., 1979.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М.,
1976.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки.
– М., 1987.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М.
Ласков, Ю. В. Воронов. – М., 1979.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды.
– Киев, 1978.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1,4], [8, 13]
Опишите краткую историю науки экологическая биотехнология (доклад с презинтацией).
Дайте характеристику предмету современная экологическая биотехнология.
Укажите состояние современной биоэкологии
Приведите пример различных свойств живой системы и эмерджентности.
Укажите принципиальные параметры биологической системы.
Лекция 2. Биологические методы очистки стоков
План:
1. Основные характеристики сточных вод.
2. Бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки, их состав и критерии оценки
качества.
3. Методы определения ХПК (химическое потребление кислорода) и БПК (биохимическое
потребление кислорода), их характеристическая и прогностическая значимость.
1. Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах
человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод, загрязненных
разнообразными органическими и неорганическими, в том числе токсичными, соединениями.
Физико-химические показатели состава сточных вод определяются профилем промышленного
предприятия, вида перерабатываемого сырья, эколого-географическими условиями места
размещения предприятия. Сбрасываемые в природные водоемы стоки существенным образом
влияют на качество воды, нарушают биологическое равновесие в водоемах, тем самым
затрудняют рациональное водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят
водоемы из строя. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в
воде растворенного кислорода, ее рН, прозрачности и цветности и т.д. Все это отрицательно
влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность
водоемов к самоочищению.
Существуют специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами». Данные правила нормируют показатели загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами. Важнейшими из них являются следующие
показатели (Слайд1): количество растворенного в воде кислорода после смешивания – не менее
4 мг/л; содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на
0.25–0.75 мг/л (для водоемов разной категории); минеральный осадок не более 1000 мг/л; вода
не должна иметь запахов и привкусов, рН – в пределах 6.5–8.5; на поверхности не должно быть
пленок, плавающих пятен; содержание ядовитых веществ – в пределах предельно допустимых
концентрациях (ПДК) для людей и животных. Запрещается сбрасывать в водоемы
радиоактивные вещества.
Органические вещества, попавшие в водоемы, окисляются до СО2 и Н2О в пределах
способности водоемов к самоочищению. Количество кислорода, расходуемое в этих процессах
(БПК), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде примесей. Различают
БПК5 (пятидневный), БПК20 (двадцатидневный) и БПКполн (полный). БПКполн обозначает время, в
течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов.
Сточные воды представляют сложные системы с комплексом веществ, их БПК составляет от 200
до 3000 мг О2/л. При сбросе в водоем таких сточных вод в неочищенном виде возможно полное
расходование запасов кислорода. Поэтому перед сбросом сточных вод в природные водоемы их
необходимо очищать до такой степени, при которой после сброса БПК остается в пределах
санитарных норм.
2. Очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение или удаление
из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. В процессах
естественного самоочищения водоемов в большинстве случаев поступающие со стоками
вещества подвергаются разрушению. В ходе этого процесса структура, свойства и
концентрации веществ изменяются во времени и пространстве. В результате вода приобретает
исходные свойства. Таким образом, водоемы в определенных пределах играют роль природного
очистного сооружения.
Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она должна
предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод в системах повторного
и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод в естественные
водоемы. Для очистки стоков применяют несколько типов сооружений: локальные (цеховые),
общие (заводские) и районные (городские). Локальные очистные сооружения предназначены
для очистки стоков непосредственно после технологических процессов. На локальных
очистных сооружениях очищают воды перед направлением их в систему оборотного
водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких установках обычно
применяют физико-химические методы очистки (отстаивание, ректификацию, экстракцию,
адсорбцию, ионный обмен, огневой метод).
Общие очистные сооружения включают несколько ступеней очистки: первичную
(механическую), вторичную (биологическую), третичную (доочистку). Районные или
общегородские сооружения очищают в основном бытовые стоки методами механической и
биологической очистки.
3. Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов использовать
в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав сточных вод.
Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра
органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления и протекания
процесса, относительно невысоких эксплуатационных расходах. Однако для успешной
реализации метода необходимы большие капитальные вложения для строительства очистных
сооружений. В ходе процесса очистки необходимо строго соблюдать технологий режим
очистки и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям
загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.
Для биологической очистки сточных вод применяют два типа процессов: аэробные, в
которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и анаэробные, при
которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к
предпочтительным акцепторам электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве
акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод органических веществ. При
выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым.
Аэробные системы более надежны, стабильно функционируют; они также больше изучены.
Анаэробные процессы, существенно уступающие аэробным в скорости протекания процесса
очистки, имеют ряд преимуществ:
1) масса, образуемого в них активного ила практически на порядок ниже (0.1–0.2) по
сравнению с аэробными процессами (1.0–1.5 кг/кг удаленного БПК);
2) в них существенно ниже энергозатраты на перемешивание;
3) дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза. Вместе с тем, анаэробные
процессы очистки мало изучены, в силу низких скоростей протекания для них требуются
дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
1.
2.
3.
Контрольные задания для СРС
Биогеохимические принципы В.И.Вернадского.
Поток энергии в экосфере. «Правило 10%». «Правило 1%».
Биотический круговорот. Глобальный круговорот углерода, азота, кислорода и фосфора.
Лекция 3. Аэробные процессы очистки сточных вод
План:
1. Примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
2. Характеристика методов очистки сточных вод, их преимущества и недостатки.
3. Достоинства и недостатки биохимических методов очистки сточных вод.
4. Виды операций в очистных сооружениях с использованием микроорганизмов.
5. Экстенсивные и интенсивные системы очистки сточных вод.
1. В аэробных процессах очистки часть окисляемых микроорганизмами органических
веществ используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в безвредные продукты –
Н2О, СО2, NO2 и пр. Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах
проточного культивирования. Процесс удаления органических примесей складывается из
нескольких стадий: массопередачи органических веществ и кислорода из жидкости к клеточной
поверхности, диффузии веществ и кислорода внутрь клеток через мембрану и метаболизма, в
ходе которого происходит прирост микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты.
Интенсивность и глубина биологической очистки определяется скоростью размножения
микроорганизмов. Когда в очищаемых сточных водах практически не остается органических
веществ, наступает второй этап очистки – нитрификация. В ходе этого процесса
азотсодержащие вещества стоков окисляются до нитритов и далее – до нитратов. Таким
образом, аэробная биологическая очистка складывается из двух этапов: минерализации –
окисления углеродсодержащей органики, и нитрификации. Появление в очищаемых стоках
нитратов и нитритов свидетельствует о глубокой степени очистки. Большинство биогенных
элементов, необходимых для развития микроорганизмов (углерод, кислород, сера,
микроэлементы), содержится в сточных водах. При дефиците отдельных элементов (азота,
калия, фосфора) их в виде солей добавляют в очищаемые стоки.
В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая
ассоциация, состоящая не только из бактерий, но также включающая одноклеточные организмы
– водные грибы, простейшие организмы (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории),
микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды, водные клещи) и др. Эта
биологическая ассоциация в процессе биологической очистки формируется в виде активного
ила или биопленки. Активный ил представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150 мкм,
Сточная
вода
Воздух
Очищенная
вода
Рис. 7.1. Схема биофильтра (по М. С. Мосичеву и др.,
1982).
взвешенные в воде, и образован колониями микроорганизмов, в том числе бактериями.
Последние образуют слизистые капсулы – зооглеи. Биопленка – это слизистое обрастание
материала фильтрующего слоя очистных сооружений живыми микроорганизмами, толщиной
1–3 мм.
2. Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции сооружениях –
биофильтрах и аэротенках.
Капельный биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с неподвижной
биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем
и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки.
Особенностью насадки или фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность для
развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые
газодинамические свойства слою и способствует прохождению воздуха и жидкости через него.
3. Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со
сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним, –
сплошным (рис. 7.1). Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью
отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим материалом
обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Нижний поддерживающий слой
во всех типах биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего
материала (размером 60–100 мм). Щебеночные биофильтры имеют высоту слоя 1.5 – 2.5 м и
могут быть круглыми с диаметром до 40 м или прямоугольными размером 754 м2. Входной
поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства
периодически равномерно орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод
через материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с
биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала; 2) сорбция
органических веществ поверхностью микробных клеток; 3) окисление веществ стоков в
процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости
продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность
биопленки восстанавливается. Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя
биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему (рис. 7.2).
Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с микроорганизмами
– окислителями углерода они развиваются в верхней части биофильтра. Нитрификаторы
находятся в нижней зоне фильтрующего слоя, где процессы конкуренции за питательный
субстрат и кислород менее выражены. Простейшие, коловратки и нематоды, питающиеся
бактериальной компонентой экосистемы биопленки, служат пищей высшим видам (личинкам
насекомых).
В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка
смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в
отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и долее сбрасывается в водоем.
4. Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, поэтому
биофильтры обогреваются за счет собственного тепла. Крупные установки, снабженные слоем
теплоизоляционного материала, способны функционировать при отрицательных внешних
температурах. Однако, температура внутри фильтрующего слоя должна быть не ниже
6°.Основной режим работы щебеночных биофильтров – однократное прохождение стоков. При
этом нагрузка по органическому веществу на фильтр составляет 0.06–0.12 кг БПК/м3 в сутки.
Для повышения нагрузки
без увеличения площади биофильтра применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или
режим двойного фильтрования.
Коэффициент рециркуляции для сточных вод, загрязненных трудно окисляемой
органикой, может составлять 1:1 – 1:2. Нагрузка по органическому веществу при этом может
достигать 0.09–0.15 кг БПК/ м3 в сутки. Переменное двойное фильтрование заключается в
использовании двух направлений фильтрования и двух вторичных отстойников.
Последовательность потоков меняется с интервалом в 1–2 недели. Это вызывает быстрый рост
биопленки и позволяет увеличить нагрузку до 0.15–0.26 кг БПК/м3 в сутки.
На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов пришли
пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной поверхности фильтрующего
слоя большую пористость и лучшие гидродинамические свойства слоя (табл. 7.1). Это
позволило строить высокие, не занимающие много места биореакторы, и очищать
промышленные стоки с высокой концентрацией загрязняющих веществ. Удельная поверхность
пластмассовых насадок, используемых для быстрого фильтрования, выше, чем у щебеночных
биофильтров.
Щебеночные биофильтры, имея более низкую объемную плотность, могут достигать
высоты до 8–10 м. Этот тип биореактора при быстром режиме фильтрации стоков обеспечивает
степень удаления 50–60 % БПК. Для более высокой степени очистки применяют каскад
биофильтров.
Паразиты
Хищники
Растительноядные
Хищные мелкие беспозвоночные
Бактерии и мелкие беспозвоночные,
питающиеся грибами
Первичные потребители
Насадка фильтра
Рис. 7.2. Трофическая пирамида в биопленке капельного
биофильтра (по К. Форстеру и Д. Вейзу, 1990).
В 1973 г. в Великобритании был создан вращающийся биологический реактор,
представляющий собой вращающиеся диски – «соты» из пластиковых полос, попеременно
погружаемые в сточные воды и поднимаемые на поверхность. При этом площадь поверхности
контакта с биослоем существенно возрастает и улучшается аэрация.
Более совершенным типом биореактора с неподвижной биопленкой является реактор с
псевдоожиженным слоем, характеризующийся наличием носителя, покрытого микробной
пленкой, достаточного для создания псевдоожиженного а и устройство, обеспечивающее
практически горизонтальное распределение потока жидкости в слое носителя. В качестве
носителя в таких биореакторах может быть использован песок, через который пропускается
кислород (система «Окситрон»). Применяют также волокнистые пористые подушечки с
системой подачи кислорода в самом аппарате (установка «Кептор»).
Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важным условием для
эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная очистка стоков от
взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятным
моментом в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на
поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного образования микробной биомассы.
В настоящее время около 70 % очистных сооружений Европы и Америки представляют
собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до
50). Основной недостаток конструкции – избыточный рост микробной биомассы. Это приводит
к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки. Предложенная недавно
модификация представляет собой установку с чередующимся двойным фильтрованием.
Система рециркуляции позволяют исключить негативные моменты, характерные для
биофильтров.
Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора
представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с
отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров,
обычно 3–4. Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с
конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Типовые схемы
аэротенков представлены на рис. 7.3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов.
Первый этап заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, содержащих около
150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических веществ, с воздухом и
частицами активного ила в аэротенке в течение некоторого времени (от 4 до 24 ч. и выше в
зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.). На втором – происходит
разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление
органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой
микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй –
окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.
Таблица 7.1.
Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах
(по К. Форстеру и Д. Вейзу, 1990)
Тип насадки
Удельная
Пористость, %
2 3
поверхность, м /м
Минеральная:
Шлак
50–120
50
Гранит
24–110
–
Гравий
86–101
–
Полимерная:
Непластифицированный поли240
95
винилхлорид
Полипропилен
124
98
Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые
железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно
воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной их стен
коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не
только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это
улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в аэротенке представляет собой
непрерывную ферментацию.
Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются
флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах,
активный ил аэротенков представляет собой меньшее экологическое разнообразие видов.
Основными группами бактериальной компоненты активного ила являются окисляющие углерод
флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактериинитрификаторы. Первая группа бактерий не только принимает участие в деградации
органических компонентов стоков, но и формирует стабильные флокулы, быстро
осаждающиеся в отстойнике с образованием плотного ила. Нитрификаторы (Nitrosomonas и
Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные:
 NO2–,
NH3 + O2 Nitrosomonas

 NO3–.
NO2– + O2 Nitrobacter
Нитчатые бактерии, с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются
флокулы; с другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое
осаждение). Простейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее
значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).
Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших, обладающих
набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет также поверхность
с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно
составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила и
его продуктивности. Возраст ила вычисляют по уравнению:
активный
ил
иловая
смесь
очищаемая
вода
воздух
очищаемая
вода
очищенная
вода
избыточный
активный ил
воздух
очищаемая
вода
активный
ил
иловая
смесь
воздух
Рис.7.3. Схемы аэротенков.
Сверху вниз: аэротенк вытеснения, аэротенк смешения,
аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила
(по Дж. Бесту и др., 1988).
T = MV/(my + Gсвых),
где: М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м3; V – объем аэротенка, м3; my –
количество удаляемого ила, кг/сут.; G – расход воды, м3/сут.; свых. – концентрация ила в
выходном стоке, кг/м3.
Например, для достижения нитрификации с участием медленно растущих
нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а для окисления органики –
возраст ила существенно ниже.
Рабочая концентрация растворенного кислорода вычисляется на основе расчетной
потребности установки. Для полной нитрификации составляет не менее 2 мг/л; для окисления
углерода и денитрификации – менее 1 мг/л. На практике в зависимости от типа аэрации
применяют несколько типов режимов очистки стоков: быструю, стандартную и продленную.
Быстрые процессы применяют при частичной очистке стоков. Наиболее распространенным
типом очистки является процесс, средний между стандартной и быстрой аэрацией. Степень
аэрации определяет допустимую нагрузку по органическому веществу во входных стоках и
качество очистки (табл. 7.2).
Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных
проточных биореакторах является режим перемешивания. Известны системы полного смешения
и идеального вытеснения. Первый тип обеспечивает мгновенное разбавление входного потока в
аэротенке. Это защищает микрофлору активного ила от ингибирующего воздействия
загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет худшую способность к
оседанию в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в
первый коридор, где в ходе аэрации восстанавливает свою окислительную способность. Сточные
воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным илом. Концентрация
загрязняющих веществ снижается постепенно, по мере прохождения стоков по системе
коридоров аэротенка. В таких системах концентрация загрязняющих веществ во входном потоке
не должна превышать предельно допустимую для биологических компонентов, образующих
активный ил.
Опыт эксплуатации различных типов аэротенков показывает, что содержание
органических веществ в стоках, подаваемых на очистку, не должно превышать 1000 мг/л.
Оптимальная величина рН обычно лежит в диапазоне 6.5–8.5.
Количество биогенных элементов в очищаемых стоках корректируется добавками
необходимых солей. Так, при БПК около 0.5 кг О2/м3 содержание усвояемого азота в стоках
должно быть не ниже 10, фосфатов – 3 мг/л. Лучшие результаты очистки вод в аэротенках
получают при величине входного БПК до 0.2 кг О2 /м3. Если уровень аэрации при таком БПК
Таблица 7 2
Зависимость качества входного потока от типа аэрации (по К. Форстеру, 1990).
Тип
Нагрузка по
Качество выходного потока
аэрации
органическому
веществу на ил,
кг/кгсут.
Продленная
0.05–0.02
Высокое: БПК  10 мг/л,
полная нитрификация,
аммонийный азот  5 мг/л.
Стандартна
0.20–0.45
Различное: от полной
я
нитрификации
до ее отсутствия.
Быстрая
0.50–5.00
Высокая скорость удаления
БПК на единицу массы ила;
качество может быть выше в
20–30 раз при достаточном
уровне аэрации.
составляет до 5 м3/м2ч, БПК очищенной воды может упасть до 0.015 кг О2/м3.
Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит к его «старению» и
снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после
вторичного отстойника выводится из системы, и только часть ила возвращается в реактор.
Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит
осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию
контактных резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора после
биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–15 мг/л при
продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.
Биологические (очистные) пруды используются в качестве самостоятельного очистного
сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию биоочистки в
биофильтре или аэротенке. Если очистные пруды функционируют как самостоятельные
системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-,
пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных стоков
без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м3/гасут.; для биологически очищенных
вод – до 500 м3/гасут. Средняя глубина прудов составляет от 0.5 до 1.0 м. Срок «созревания»
прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.
Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются.
В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки. Это процессы в
шахтных реакторах, процессы с использованием для аэрирования кислорода. Такие
биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного кислорода в окситенках
достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В
результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л
и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки. Шахтные биореакторы
позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном
канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и
большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150 м при
диаметре 0.5–10.0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное
устройство, обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для
циркуляции потоков очищаемой воды. Направление циркуляции задается вдуванием воздуха в
секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты компактны,
обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4.5 кг/м3 ч). При этом уровень нагрузки на
ил может достигать 0.9 кг БПК/кгсут. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации
окситенков, является проблема отделения твердых частиц от иловой смеси. Микропузырьки
воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения
применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. После стадии дегазации иловая
смесь направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит доокисление
оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1,4], [8, 13]
1.
Каковы существенные особенности сочных вод.
2.
Объясните, в чем принципиальные отличия бытовых, промышленных и
сельскохозяйственных стоков, их состав и критерии оценки качества.
3.
Укажите надежность метода определения ХПК (химическое потребление кислорода) и
БПК (биохимическое потребление кислорода), их характеристическая и прогностическая
значимость.
Тема 4 Анаэробные процессы очистки сточных вод
План лекции:
1.
Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных сточных вод.
2.
Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения
различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3.
Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
4.
Аэробные и анаэробные процессы очистки сточных вод, их характеристика.
5.
Реакторы, использующиеся для аэробной очистки сточных вод. Схема работы
гомогенных реакторов.
6.
Популяционные проблемы «активного ила». Формирование ценозов «активного
ила». Микроорганизмы «активного ила», их соотношение и значимость отдельных
консорциумов. Формирование зооглей – симбиоза популяций микроорганизмов,
покрытых общей слизистой оболочкой.
7.
Роль простейших в эффективности работы «активного ила». Показатель НОВ
(нагрузка на ил по органическому веществу – важнейший параметр при
проектировании станций аэрации.
8.
Управление работой вторичного отстойника. Реакторы с неподвижной биопленкой –
биофильтры, процессы, которые в них происходят.
9.
Технологическая схема процессов, протекающих с использованием биофильтров.
10.
Классификация биофильтров в зависимости от способа очистки, вида загрузочного
материала и режима подачи жидкости.
11.
Заиливание
биофильтров.
Использование
иммобилизованных
клеток
микроорганизмов в аэротенках
Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития
в настоящее время. Эти процессы по сравнению с аэробными процессами очистки сточных вод
имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий уровень превращения
углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и
получение дополнительного ценного продукта – биогаза.
Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет.
Используемые для этих целей биореакторы – септиктенки, представляют собой отстойники, в
которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки эксплуатируются
обычно при температуре 30–35°С. Время пребывания в них очищаемых стоков существенно
выше – около 20 суток. При проектировании биореакторов такого типа одним из основных
параметров является его вместимость в литрах (V), рассчитываемая с учетом количества
обслуживаемого населения P:
V = 180 P + 2000.
Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, половина служит
для накопления ила. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая
занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила (рис. 7.4). Ил периодически
(примерно раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Септиктенки
применяют в системе городских очистных сооружений. В них перерабатывают осадки,
удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил ликвидируют или закапывают.
При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных
микроорганизмов и дурной запах. Пути биодеградации загрязняющих веществ, протекающие в
септиктенках на основе сложной микробной ассоциации, включают гидролитические процессы
с участием ацидогенных, гетероацетогенных бактерий и процесс метаногенерации с участием
метаногенов. Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной
биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.
Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для
сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного
животноводства. Данные стоки имеют высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК (химическая
потребность в кислороде), а навозные стоки – также высокое содержание нерастворимых
компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели
полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной
биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30 %. Высокие
концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс
деградации. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600–700 м3 удлиняется до
15–20 суток при норме суточной загрузки 20–30 м3. Биогаз, образуемый при этом, содержит до
70 % метана. Биореактор сравнительно небольшого объема очищает стоки средних ферм с
содержание 1200–1500 голов свиней.
Для очистки загрязненных стоков пищевой промышленности применяют специально
разработанные контактные анаэробные процессы (рис. 7.5).
В таких процессах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки
полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического
Рис. 7.4. Двухкамерный септиктенк (по К. Форстеру, 1990).
1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 –
уклон 1:4.
перемешивания. Помимо перемешивания, фактором интенсификации процесса является
изменение температуры в биореакторе. Сброженные стоки направляются в осветлитель, где
происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза.
Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции стоков. Если
величина концентрации биомассы в сбраживателе составляет 5–10 г/л, возможно достаточно
эффективная очистка стоков с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При увеличении концентрации
биомассы до 20–30 г/л возможно использование неразбавленных стоков с ХПК до 80 кг/м3.
Реакторы с неподвижной биопленкой (анаэробные биофильтры) также находят применение для
анаэробной очистки стоков. Используемые для этих целей биореакторы в отличие от аэробных
капельных биофильтров имеют более крупную насадку для избежания процесса заиливания.
Применяемая для этих целей щебеночная насадка диаметром 25–65 мм имеет до 50 % свободного
объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка, и биомасса удерживается в
свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до
10 кг/м3сут., с умеренным количеством органики она обычно близка к 5 кг/м3. Эффективность
очистки составляет около 70 %. Эти сооружения, однако, не нашли пока широкого
применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки и необходимости периодической
промывки материала фильтрующего слоя.
В целом анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных
достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные системы биоочистки.
Однако в последние годы, вследствие более строгих требований к предварительной очистке
промышленных стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процессам
возрастает.
Рекомендуемая литература:
15.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
16.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
17.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
18.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
19.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
20.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
21.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
22.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
23.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
24.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
25.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
26.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
27.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
28.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]
А
Газ
Выход
Б
К теплообменнику
Вход
В
Углекислый газ
Биогаз
Вход жидкости
Выход жидкости
Выход теплоносителя
Радиальная опорная балка
Емкость из полимерной пленки
Изолирующая панель
Стальная сетка
Арматура
Бетонный кольцевой
фундамент
Изолирующая пленка
Теплообменник
Рис. 7.5. Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности.
А – анаэробный биофильтр, Б – установка с винтовым насосом для
перемешивания,
В – высокоскоростной реактор Коулзерда (по Дж. Бесту и др., 1988).
1.
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
2.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
3.
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
4.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
5.
Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
Тема 5. Утилизация твердых отходов
План лекции
1.
Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных отходов.
2.
3.
Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения
различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологические методы
наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем
биоочистки стоков.
Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все возрастающие
объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного количества свалок,
увеличению их площадей, а также к неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду
из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным 1984 г. во Франции, Греции и
Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было рассыпано, соответственно, 10.3,
17.5 и 35 % от общего количества ликвидированных отходов. Несмотря на все возрастающий
интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на
свалках существенно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как стало
ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный
энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую
организацию свалок и получение на месте их переработки метана.
Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские свалки, в целом
состав твердых отходов в развитых странах становится все более однотипным, при этом четко
просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли
органических и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на
свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция,
поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от общего количества твердых отходов.
Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно
происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В
результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости,
ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная
ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц,
являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются
разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический
потенциал микробного сообщества зависит от спектра химических веществ материала свалок,
степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в
особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода.
На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система
переработки отходов является, по существу, совокупностью реакторов периодического
действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.
На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы,
в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и также
беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты.
Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты – лигнин,
лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени
биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод оценки,
основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных
отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно
перерабатываемых – 0.9–1.2 и в полностью стабилизированных отходах – 0.2. В течение
аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и
гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить
показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание
процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода,
что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит
Н2
2SO4
II
I
СО2
Сульфидная
(пиритная)
сера
2SO4 (лим.)
+
Ацетат
+
Н2
NH3
N2
III
Пропионат
+
СО2
+
Ацетат
IV
Н2
V
+
Ацетат
СО
Метанол
VI
Метиламины
СО2
VII
Метан
Рис. 7.6. Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях
заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990).
Бактерии, потребляющие: I – нитраты, II – сульфаты; бактерии, образующие: III –
пропионат, IV – ацетат, V – метан; бактерии, катаболирующие: VI – аминокислоты,
VII – метилированные металлоорганические комплексы.
к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует
развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При
анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные,
взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать
более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические
преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза полимеров типа
полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются с
образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при
участии метаногенов происходит процесс образования метана (рис.7.6).
В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого
свалок, образуются два типа продуктов – фильтрующиеся в почву воды и газы. Фильтрующиеся
воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных веществ, включая
аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические
соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным
моментом при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и
грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые
засыпки или создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.
Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора
фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка с применением капельных
биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов. В системе аэрационных прудов в течение
нескольких месяцев можно удалить из вод до 70 % БПК; в капельных биофильтрах или
системах с активным илом – до 92 % БПК с одновременным извлечением в результате
биосорбции свыше 90 % металлов (железа, марганца, цинка). Анаэробная биоочистка позволяет
удалить 80–90 % ХПК в течение 40–50 дней при 25°С ( при 10°С величина удаления ХПК
снижается до 50 %).
Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным
энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной
запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур),
поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных
приспособлений (преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа),
позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек,
препятствующих его утечке.
Интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок существенно возрос в
последние десять лет. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Общего рынка
– около 40. Создание таких установок планируется в Великобритании, Японии, Канаде,
Швейцарии и др. Сбор и последующее применение биогаза, образуемого на свалках в больших
количествах, имеет огромные перспективы. Так, установка в Россмане в летние месяцы дает до
40000 м3 газа в день. Объемы таких установок значительны, до 10–20.106 м3.
Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твердых отходов.
Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные на различных лабораторных,
пилотных установках и контролируемых свалках, дают существенный разброс данных, от
десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие
факторы, – температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов,
наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с
помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена.
Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют
для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать
по трубам к местам потребления.
Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер, так
как использование образуемого на свалках биогаза, снижает материальные затраты на борьбу с
загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [2, 8]
1.
В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования интенсивных
методов переработки бытовых и производственных сточных вод.
2.
Оцените надежность интенсификации процессов очистки методом пространственного
разделения различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3.
Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.
Тема 6. Биоочистка газовоздушных выбросов
План лекции
1. Основные виды газовоздушных загрязняющих веществ
2. Биологические методы очистки воздуха
3. История разработки принципиальной схемы для биологической очистки воздуха
4. Принцип функционирования биоскрубберов
5. Анализ технологического решения биоскруббера с биофильтрами
Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей
технологической деятельности приобретает все большую остроту. В воздухе больших
промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом
концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в
загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и
перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы,
отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. Среди этих веществ –
органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и
галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод,
окислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены). В воздушных бассейнах больших
промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе
дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для
здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.
Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и
биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно
далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов – абсорбция примесей на
активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее
распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование,
прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки
газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и пока в ограниченных
масштабах.
Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов
разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов,
СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические,
ароматические,
гетероциклические,
ациклические
и
различные
С 1-соединения.
Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и
диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть
данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода,
являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода
Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium – дихлорэтан;
Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium – винилхлорид.
Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные
микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в
качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений –
Классификация
установок
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
установк
режим
и
Биофиль Фильтрующий слой – Циркуляция
тр
иммобилизованные воды
на
природных отсутствует
носителях микробные
клетки
Биоскруб Вода, активный ил
бер
Циркуляция
воды
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
ор
с на
искусственных воды
омываем носителях микробные
ым слоем клетки
биологической
Таблица 7.3.
очистки
воздуха
Основная
стадия Источник
удаления примесей минеральных
из воздуха
солей
1.Десорбция мате- Материал
риалом
фильтрующего
фильтрующего
слоя
слоя.
2.Деструкция
микробными
клетками.
1. Абсорбция в Минеральные
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
1. Диффузия через Минеральные
водную пленку к соли вносят
микроорганизмам. воду
2. Деструкция в
биологическом
слое.
в
в
загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала
микрорганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и
генетиков, включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения
клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей
атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно
применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и,
следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудно утилизируемых
соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и
только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.
Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры,
биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем (табл. 7.3).
Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г.
Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ совсем недавно – в 1980 г. Спустя
три года, в 1984 г. только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240
установок. Пользуясь
В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы –
компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе различные минеральные соли и
вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят
каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в
систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу – вверх или –
наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно.
Поэтому требуется однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для
очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40–60 % от веса материала
носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются
трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает
физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается
распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще
слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В
результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность
очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или
комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом снижается
удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать
температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды.
Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух,
подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.
Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр,
предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95–100 %. При
заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал
добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических полимерных материалов
(полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса
добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего материала.
Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе
трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2–40 %
от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав
рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате,
например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3.
Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами
фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ и
ферментативной активностью микрорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления
вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией
веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания
биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных
веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой
неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества, и только в конце процесса
начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии в воздухе в
качестве вредных примесей комплекса соединений (бутанола, этилацетата, бутилацетата и
толуола) последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных
веществ.
Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают спустя
некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и
адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от
концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может
составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе
очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего
слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько
лет.
Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха
реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсические
вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, растворяется в воде. В результате воздух
выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. Применяют различные типы
абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т.д.). Цель
конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела
фаз, газовой и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. На второй стадии
загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке
происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические
вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов
с образованием биомассы.
Биореактор с омываемым слоем: рабочим телом этой биосистемы являются
иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с
иммобилизованными микробными клетками. Этот слой омывается водой, содержащей
необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через
него, при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку,
покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами. Скорость
деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а
также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою
очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций. Стационарный режим
биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5–10 дней. При
использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок
может быть сокращен до нескольких часов. Периодически, обычно раз в несколько месяцев,
биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.
Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов,
заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной
производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки
измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч., к общему объему
установки.
Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в
настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространенным типом установок
являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительных
расходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно невысока, – от 5 до 400
м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя/ч. Главным образом,
это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объема материала
фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и
газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади
(от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах – достаточно высока. Например,
используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90 % очистку воздуха от
дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров связано с
созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через
рабочее тело установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через
который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный
компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки
и транспортером вновь подается в верхнюю часть установки. Такой движущийся биологически
активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха;
степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96.7–99.9 %.
Повышение эффективности работы биофильтров, безусловно, связано с повышением
энергозатрат на процесс биоочистки.
Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как
представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при
использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных
затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых
токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с
биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока (табл. 7.4). Например,
применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает
следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интесивности запаха
воздуха от 75 до 85 %, степень конверсии органических примесей – 50 %.
Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым
слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более
высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубометров очищаемого воздуха в
час). Такие малогабаритные установки очень эффективны для очистки воздуха предприятий
интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на
активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида,
этилацетата достигает 90 % при удельной производительности установки 10 000 ч–1.
Описаны другие подходы для очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии
микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом
и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую
большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100 % очистку воздуха при
производительности установки до 1 млн. м3/ч.
Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от
алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом.
Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда фармацевтических
производств на основе иммобилизированных микробных клеток. Производительность
установки по ацетону достигает 164 г углерода/м3ч; 57 г/м3ч по смеси этанол + пропанол и 15
г/м3ч по дихлорэтану. Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены
биологические методы, включая применение различных биологических агентов, от активного
ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у
Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а
иммобилизированная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида.
Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные соединения серы
(тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут служить источником
энергии для многих микроорганизмов:
Thiobacillus
 H2SO4.
H2S + O2 
Hyphomicrobium
(CH3)2S + 5O2  2CO2 + H2SO4 + 2H2O.
Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой
раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла далее может быть
окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от
Таблица 7.4
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, % давле- воды, расход воды в
м3
ч–1
ния, л/сут.
сутки
Н/м2
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
сероводорода, а также органических соединений серы с использованием тиобацилл; при
анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:
5 H2S + 8 NaNO3  4 Na2SO4 + H2SO4 + 4 H2O + 4 N2.
(CH3)2S + 4 NaNO3  2 CO2 + Na2SO4 +2 NaOH + 2 H2O + 2 N2.
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются
достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов.
Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [2, 8, 11]
1.
Объясните, в чем разница между газовоздушными и водо- загрязняющими веществами
2.
Каковы существенные особенности биологических методов очистки воздуха
3.
Чем вызвана необходимость разработки принципиальной схемы для биологической
очистки воздуха
4.
Укажите принципиальные принципы функционирования биоскрубберов
5.
Укажите принципиальные технологические характеристики биоскруббера с
биофильтрами
Тема 7. Биодеградация ксенобиотиков
План лекции
1. Общая характеристика класса ксенобиотиков
2. Деградация ксенобиотиков
3. Конструирование микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
Ксенобиотики – чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители,
лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы
углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в
окружающей среде и вредно влияют на все живое. Широкое и повсеместное применение
пестицидов, в том числе неразлагаемых, накопление различных отходов в огромных
количествах привело к широкому распространению загрязнения окружающей среды – недр,
воды, воздуха. Накопление ксенобиотиков представляет огромную опасность для человека,
употребляющего в пищу крупную рыбу и высших животных.
Судьба химических соединений, попадающих в окружающую среду, определяется
комплексом физических, химических и, особенно, биологических факторов. Деградация
ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и
существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и пр.
Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать
в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации.
Так, примерные значения коэффициента увеличения концентрации ДДТ
(дихлордифенилтрихлорэтана) таковы:
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
100

106

108
Ксенобиотики, которые подвергаются полной деградации, то есть минерализуются до
диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, используются микроорганизмами в
качестве основных ростовых субстратов и проходят полный метаболический цикл. Частичная
трансформация соединений происходит, как правило, в процессах кометаболизма или
соокисления и не связана с включением образуемых продуктов в метаболический цикл
микроорганизмами. Наконец, некоторые ароматические углеводороды и синтетические
полимеры вообще не поддаются биологической трансформации:
Ксенобиотик
Биологическая
трансформация
Минерализация
Накопление
Полимеризация
Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязанных факторов:
структуры и свойств самого соединения, физико-химических условий среды и ее
биокаталитического потенциала, определяемого микробным пейзажем. Все эти факторы в
совокупности определяют скорость и глубину трансформации ксенобиотика. Нельзя забывать о
том, что биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит
их полная минерализация, разрушение и детоксикация. Это может быть достигнуто в
результате всего одной модификации структуры соединения. Однако часто в ходе деградации
происходит серия последовательных модификаций исходного соединения с участием
нескольких микробных видов. Важную роль в удалении ксенобиотиков из окружающей среды
играют разнообразные типы микробного метаболизма. В природных условиях на ксенобиотики
воздействую микробные сообщества. В них проявляются различные типы взаимодействия:
кооперация, комменсализм, взаимопомощь. Именно благодаря гетерогенности природных
микробных сообществ ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие
в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов
является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Есть два пути для борьбы с
загрязнением биосферы ксенобиотиками: сбор и детоксикация ксенобиотиков до момента
попадания в окружающую среду и трансформация или удаление ксенобиотиков, попавших в
среду.
Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных
соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических
соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период
микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче, по сравнению с
первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе
адаптации к токсическому соединению, как субстрату, селектируются по способности
деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные
популяции, которые, как оказалось, могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев
после полной деградации токсиканта. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения
в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать
токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в окружающую среду из почвы
можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее
среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации. Это возможно различными
путями: отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов. Повышение деградирующей способности возможно также в
результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к
токсикантам.
При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное
генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми
катаболическими функциями. Огромная роль в процессах межорганизменного переноса
генетической информации, приводящих к биохимической изменчивости популяций,
принадлежит плазмидам – внехромосомным генетическим элементам. Катаболические, или
деградативные плазмиды, кодирующие реакции минерализации или трасформации
ксенобиотиков, придают микроорганизмам способность перераспределять между собой пул
деградативных генов.
В настоящее время описаны разнообразные природные катаболические плазмиды,
встречающиеся у различных представителей почвенной микрофлоры (табл. 7.5). Особенно
часто они идентифицируются среди рода Pseudomonas. Информация, которую несут плазмиды,
может расширить круг субстратов хозяина за счет объединения двух метаболических путей,
либо полным кодированием нового пути, либо дополнением существующих метаболических
путей. Внутри- и межплазмидные рекомбинации приводят к перетасовке генов на плазмидах и
возникновению новых метаболических путей.
Известны также случаи перераспределения генетического материала между плазмидами
и хромосомой хозяина, приводящие к появлению совершенно новых генов. Пластичность
катаболических плазмид обеспечивает перераспределение генетического материала, что может
привести к возникновению в природе нового организма, эффективно деградирующего новый
субстрат.
Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют
получать эффективные штаммы-деструкторы ксенобиотиков. Это тем более важно, так как
общепринятые методы работы с рекомбинантными ДНК, применяемые для клонирования
чужеродной ДНК с небольшим числом генов, имеют существенные ограничения при
клонировании метаболических путей деградации ксенобиотиков, кодируемых десятками генов.
Ограничения также обусловлены недостатком знаний о механизмах деградации и структуре
метаболических путей, а также возможностями риска, связанного с попаданием
сконструированных организмов в среду. Методы генетической инженерии могут быть
полезными для усовершенствования уже существующих деградативных способностей
микробных клеток.
Большинство пестицидов, попадающих в окружающую среду в результате
использования их для обработки сельскохозяйственных культур, расщепляются бактериями и
грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложное соединение достаточно
эффективно происходит под воздействием микробных сообществ. Доказана возможность
полной минерализации ДДТ в ходе сопряженного метаболизма. Высокая токсичность ряда
пестицидов может утрачиваться уже на первой стадии микробной трасформации. Это позволяет
разрабатывать относительно простые микробиологические методы для борьбы с
ксенобиотиками. Описаны опыты успешного применения ферментов (гидролаз, эстераз,
ациламидаз и фосфоэстераз) для проведения первичного гидролиза пестицидов и увеличения
степени их последующей биодеградации. Например, с помощью паратионгидролазы из
Pseudomonas sp. можно достаточно эффективно удалять остаточный паратион из контейнеров с
данным пестицидом, а забуференные растворы данного фермента применяют для уничтожения
разливов паратиона на почвах. На основе иммобилизованных ферментов возможно удаление
пестицидов из сточных вод; ферменты применяют также в виде аэрозолей для удаления
пестицидов с промышленных установок.
Большую опасность для окружающей среды представляют полиароматические
углеводороды. Так, полихлорбифенилы (ПХБ) являются очень устойчивыми соединениями,
долго присутствующими в окружающей среде в результате прочной адсорбции биологическими
и осадочными породами и плохой миграции. Микроорганизмы не способны глубоко
деградировать эти соединения, тем не менее, модифицируют их. Установлена способность
микробных сообществ деградировать промышленные ПХБ с образованием новых типов
углеводородов, при этом молекулы с низкой степенью хлорирования расщепляются.
Устойчивое полиароматическое соединение бензапирен не минерализуется в системах
активного ила, хотя описано несколько микробных видов, способных частично его
метаболизировать. В ходе деградации бензапирена образуются канцерогенные соединения
(гидрокси- и эпоксипроизводные). Также устойчив к деградации полистирол, хотя описано
несколько случаев частичной деградации измельченных автомобильных шин, изготовленных из
стирол-бутадиеновой резины. Есть сообщения о росте микробного сообщества на стироле, в
ходе которого разрушается ингибитор полимеризации 4-трет-бутилкатехол, далее происходит
свободнорадикальная полимеризация стирола с осаждением образующегося полистирола. Этот
полимер впоследствии под воздействием микробного сообщества исчезает из почвы.
Одной из крупнейших групп загрязнителей природы являются галогенсодержащие
ксенобиотики, которые характеризуются высокой токсичностью и плохой деградируемостью.
Причина токсичности и устойчивости этих соединений определяется наличием в них трудно
расщепляемой галоген-углеродной связи. Однако, как оказалось, ряд галогенсодержащих
соединений являются природными образованиями и представляют собой метаболиты бактерий,
грибов, водорослей. Это определило судьбу отдельных галогенсодержащих соединений в
природе. Наличия данной природной предпосылки для полной деградации ксенобиотика,
однако, недостаточно. Для эффективной трансформации родственного ксенобиотического
соединения необходима адаптация микроорганизма, включая его генетическую изменчивость.
Длительные исследования путей деградации галогенсодержащих ксенобиотиков показали, что
для получения суперштамма, эффективно разлагающего данные ксенобиотики, нужно
модифицировать существующий катаболический механизм деградации ароматических
соединений. Идея конструирования катаболических путей принадлежит Рейнеке и Кнакмуссу,
создавшим штамм Pseudomonas, способный деградировать 4-хлорбензоат. В эксперименте по
скрещиванию Pseudomonas putida PaW1, обладающего TOL-плазмидой pWWO с Pseudomonas sp.
B13 (pWR1), утилизирующим 3-хлорбензоат, они получили трансконьюгат, способный
использовать 4-хлорбензоат в результате переноса гена толуол-1,2-диоксигеназы
(контролируемого плазмидой pWWO), в штамм Pseudomonas sp. B13. Аналогичный результат
был получен при совместном культивировании в хемостате двух культур – P. aeruginosa,
содержащей плазмиду pAC25, и культуры, содержащую TOL. Первая плазмида, связанная с
катаболизмом галогенированных органических соединений (2,4-дихлорфеноксиуксусной
кислоты), была обнаружена у Alcaligenes paradoxus, затем у других микроорганизмов. Позже
Таблица 7.5.
Природные катаболические плазмиды (по Д. Хардмену, 1990).
Плазмида
pJP1
pUU220
CAM
SAL
NAH
OCT
XYL
TOL
NIC
pAC25
pWW17
pUU204
Субстрат
2,4-Дихлорфеноуксусная кислота и
галогенсодержащие пестициды
Галогеналкилы
Никотин
D-Камфора
Салицилат
Нафталин
Октан
Ксилол
Толуол, м-ксилол, п-ксилол
Никотин,
3,5-Ксиленол
3-Хлорбензол
n-Крезол
Фенилацетат
Галогеналкилы
Хозяин
Alcaligenes paradoxus
Alcaligenes sp.
Arthrobacter oxidans
Pseudomonas putida
P. sp.
P. putida
P. oleovorans
P. arvila
P. putida
P. convexa
P. putida
P. putida
P. putida
P. sp.
P. sp.
появилась серия публикаций о деградации 2,4-Д, однако сообщения по разрушению 2,4,5трихлорукусной кислоты были крайне редки. Впоследствии при совместном культивировании в
хемостате в течение 8–10 месяцев микробных культур, содержащих несколько катаболических
плазмид, при постепенном увеличении концентрации 2,4,5-Т получили штамм, способный к
деградации 2,4,5-Т и трихлорфенола.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС
1.
Чем вызвана необходимость биологической утилизации класса ксенобиотиков
2.
Объясните в чем разница биологической деградации ксенобиотиков и биологической
утилизации твердых отходов.
3.
Приведите пример микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
Тема 8. Очистка субстратов от нефтяные загрязнений
1.
2.
3.
План лекции
Чем вызвана необходимость генетического конструирования «супермикробов»
Принципиальные отличия химических показателей в составе нефтяных загрязнений
Меры реализации современных методов утилизации нефтяных загрязнений
Биологические методы также применимы для очистки природной среды от нефтяных
загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной промышленности, так и
непосредственное загрязнение в результате разлива нефти. Сточные воды нефтяной
промышленности очищают биологическими методами после удаления большей части смеси
различных углеводородов физическими методами. Для этого применяют аэрируемые системы
биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти сообщество.
Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также
температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется,
когда нефть эмульгирована в воде. Особую проблему представляют выбросы и аварийные
разливы нефти на поверхность почвы. Это приводит не только к загрязнению пахотных земель,
но также и источников питьевой воды. В почве содержится много микробных видов, способных
деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в том числе и в результате
дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным является внесение в
почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых входят соединения азота,
фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации которых в почве достаточно низки и
лимитируют рост микроорганизмов. После внесения этих соединений в почву концентрация
микроорганизмов-деструкторов существенно возрастает, и возрастает скорость деградации
нефти.
С помощью генетического конструирования создан «супермикроб», способный
утилизировать большинство основных углеводородов нефти (рис. 7.7). Многие природные
штаммы Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды, каждая из которых кодирует
фермент для расщепления одного класса углеводородов – плазмида OCT обуславливает
расщепление октана, гексана, декана; XYL – ксилола и толуола; CAM – камфары, NAH –
нафталина. Плазмиды CAM и NAH сами способствуют своему переносу, стимулируя
спаривание бактерий.
В результате последовательных скрещиваний был получен «суперштамм», несущий
плазмиды XYL и NAH и гибридную плазмиду, содержащую части плазмид OCT и CAM. Такая
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть. Однако возможность
эффективного
применения
такого
организма
в
естественных
условиях
требует доказательства.
Штамм 1
Штамм 2
САМ
Хромосома
Плазмида
Штамм 3
ОСТ
Штамм 3
XYL
Скрещивание
и рекомбинация
плазмид
NAH
Скрещивание
XYL
САМ/OCT
NAH
Скрещивание
Супербацилла
САМ/OCT
XYL
NAH
Рис. 7.7. Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний
четырех штаммов Pseudomonas putida (по Д. Хопвуду, 1984).
Штамм содержит XYL и NAH плазмиды, гибридную плазмиду CAM/OCT,
так как изолированные плазмиды CAM и ОСТ не способны существовать в одной клетке.
Использование методов генетического конструирования микробных штаммовдеструкторов ксенобиотиков для практического применения находится на ранней стадии. Одна
из основных проблем при конструировании микроорганизмов на основе природных
катаболических плазмид – стабильность. Стабильность систем «хозяин-вектор» особенно важна
при интродукции штаммов в естественную среду. При возвращении микроорганизма с новой
катаболической функцией в исходную природную среду ему приходится конкурировать с
хорошо адаптированной к данным условиям среды естественной микрофлорой, сталкиваться с
огромным разнообразием источников углерода, в том числе высокотоксичных. При этом
совершенно неясны перспективы сохранения стабильности новой катаболической функции и,
следовательно, самого штамма.
Пока существует большой разрыв между достижениями, полученными в
конструировании микроорганизмов, и возможностями их практического применения. Вероятно,
в будущем наиболее перспективными для детоксикации ксенобиотиков будут биологические
системы, состоящие из микробиологической консорции индивидуальных организмов и
микробных сообществ, полученных методами клеточной и генетической инженерии.
Рекомендуемая литература:
15.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
16.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
17.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
18.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
19.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
20.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
21.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
22.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
23.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
24.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
25.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
26.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
27.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
28.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1,4], [2, 3]
1.
2.
3.
Чем вызвана необходимость генетического конструирования «супермикробов»
Принципиальные отличия химических показателей в составе нефтяных загрязнений
Меры реализации современных методов утилизации нефтяных загрязнений
4 *Методические указания для СРСП
Занятие 1
Тема 1. Исторические факты развития экологической биотехнологии. Предмет и задачи
экологической биотехнологии, ее значение в современном обществе.
Для занятия необходимы знания о предмете и задачах экологической биотехнологии, ее
значение в современном обществе .
План занятия
1.
Биогеохимические циклы.
2.
Роль микроорганизмов в кругообороте веществ.
3.
Схемы кругооборота углерода, кислорода, азота и серы.
4.
Взаимосвязь микроорганизмов в естественных экосистемах – почвах и водоемах.
5.
Межвидовые отношения и взаимоотношения микроорганизм – растение.
6.
Синтрофизм
7.
Примеры решения задач с использованием условий структуры системы.
8.
Индивидуальная работа по заданию преподавателя
9.
Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1, 2, 7]
1. Решение задач на cложность структуры системы [4, №№ 1, 2, 11, 16]
2. Решение задач на разнообразие состава или взаимосвязей в системе [4, №№ 29, 34, 66]
3. Оценка относительной организации системы.
4. Парциальное давление газов.
5. Относительная плотность газов.
Занятие 2
Тема 2: Основные характеристики сточных вод.
Для занятия необходимо знание методов определения ХПК и БПК.
План занятия
1. Бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки, их состав и критерии оценки
качества.
2. Методы определения ХПК (химическое потребление кислорода), их характеристическая
и прогностическая значимость.
3. Методы определения БПК (биохимическое потребление кислорода), их
характеристическая и прогностическая значимость.
4. Промежуточный контроль (расчетные задачи на ХПК и БПК).
5. Примеры решения задач на ХПК и БПК.
6. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
7. Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС [1, 2, 7]
1. Решение задач на ХПК и БПК [4, №№ 41, 43, 44]
2. Определение молекулярной массы ХПК и БПК.
3. Вывод молекулярных формул ХПК и БПК.
Занятие 3
Тема 3. Характеристика методов очистки сточных вод, их преимущества и недостатки
. Виды операций в очистных сооружениях с использованием микроорганизмов..
Для занятия необходимо знать достоинства и недостатки биохимических методов очистки
сточных вод.
План занятия
1. Промежуточный контроль (Примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий)
2. Примеры решения задач на экстенсивные и интенсивные системы очистки сточных вод.
3. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
4. Проверочная работа (текущий контроль)
Схемы аэротенков.
Сверху вниз: аэротенк вытеснения, аэротенк смешения,
аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила
(по Дж. Бесту и др., 1988).
Практическое задание. Ответьте в письменной форме на следующие вопросы.
1. Укажите конструктивные узлы различных видов аэротенков на рисунке
представленном выше.
2. Конструкционные отличия различных типов аэротенков.
3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов, опишите их.
4. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе
реализуется в две стадии, опишите их.
5. При очистки воздуха промышленного предприятия на второй стадии очистка
осуществляется в аэротенке по обычной схеме с участием кислорода, опишите её.
Задача 1.
Титаномагниевый комплекс в г.У-К использует для очистки сточных вод гомогенный
биореактор. Определите возраст активного ила в аэротенке на 11 сут, если объем реактора 500
м3, количество взвешенных частиц иловой смеси 315,6 кг/м3, количество удаляемого ила 112,7
кг/сут, расход воды 1500 м3/сут, концентрация ила в выходном стоке 12,3 кг/м3.
В чем заключается сущность и значение параметра возраста активного ила в аэротенке?
Задача 2.
При проектировании септиктенков одним из основных параметров является его
вместимость в литрах (V), рассчитайте V с учетом количества обслуживаемого населения (1134
человек).
Объясните, в чем разница между аэротенком и септитенком?
Теоретический контроль знаний:
3. Составьте перечень предприятий оказывающих основной вклад в загрязнения атмосферы
планеты Земля
A.
машиностроение и строительство
B.
радиотехника и электронная промышленность
C.
нефтеперерабатывающая и химическая промышленность
D.
кораблестроительство и судопроизводство
E.
здравоохранение и образование
4. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют органическую природу?
A.
хлороводород, галагены
B.
окись углерода и аммиак
C.
ароматические и непредельные углеводороды
D.
сернистый газ и сероуглерод
E.
окись углерода
5. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют неорганическую природу?
A.
хлороводород, галагены
B.
этанол и фенол
C.
ароматические и непредельные углеводороды
D.
ацетон и толуол
E.
хлороформ и ксилол
6. Каковы существенные особенности биологических очистных сооружений воздуха:
биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем
A.
в данных аппаратах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие
стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического
перемешивания
B.
главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при
относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного
продукта – биогаза.
C.
Очистные сооружения технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых
происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют
также функцию контактных резервуаров
D.
основным элементом очистного аппарата, как и водоочистного биофильтра, является
фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества. Далее эти вещества в
растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются
деструкции.
E.
все ответы верны
Классификация установок биологической очистки воздуха
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
Основная
стадия Источник
установк
режим
удаления примесей минеральных
и
из воздуха
солей
Биофиль Фильтрующий слой – Циркуляция
1.Десорбция мате- Материал
тр
иммобилизованные воды
риалом
фильтрующего
на
природных отсутствует
фильтрующего
слоя
носителях микробные
слоя.
клетки
2.Деструкция
микробными
клетками.
Биоскруб Вода, активный ил
Циркуляция
1. Абсорбция в Минеральные
бер
воды
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
1. Диффузия через Минеральные
ор
с на
искусственных воды
водную пленку к соли вносят
омываем носителях микробные
микроорганизмам. воду
ым слоем клетки
2. Деструкция в
биологическом
слое.
в
в
7. Пользуясь таблицей определите, какую функцию в очистной система воздуха выполняет
«рабочее тело»?
A.
тип аэрации
B.
нагрузка по органическому веществу на ил
C.
качество выходного протока
D.
иммобилизованные микроорганизмы
E.
дезинфицирующий отстойник
8. Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие:
A.
воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере
до относительной влажности в 95–100 %
B.
тщательная предварительная очистка воздуха от взвешенных частиц, способных
засорить распределительное устройство
C.
обеспечение практически горизонтального распределения потока воздуха в слое
носителя
D.
обеспечение при высоких значениях загрязнений удельной поверхности фильтрующего
слоя
E.
биофильтры способны функционировать при отрицательных внешних температурах.
9. Каковы существенные особенности функционирования биоскрубберов?
A.
процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках
B.
применяют различные типы абсорберов
C.
в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости
D.
на второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется
E.
все ответы верны.
10. Приведите пример основных требований, предъявляемых к установкам биологической
очистки газов
A.
простота в эксплуатации
B.
эксплуатационная надежность конструкции
C.
высокой удельной производительности
D.
высокой степени очистки
E.
все ответы верны
11. Каковы существенные отличия биоскруббера по сравнению с биофильтрами?
A.
занимают меньшую площадь
B.
занимают большую площадь
C.
эксплуатационные затраты ниже
D.
очистка эффективнее при наличии в воздухе плохо растворимых токсических веществ
E.
производительность ниже, эффективность выше.
12. Пользуясь таблицей определите, какая из представленных установок наиболее энергоемкая?
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, % давле- воды, расход воды в
м3
ч–1
ния, л/сут.
сутки
2
Н/м
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
A.
B.
C.
D.
E.
Биофильтр с компостом
Биофильтр с волокнистым торфом
Биоскруббер
Биореактор с омываваемым слоем
Все представленные конструкции энергоемкие.
Рекомендуемая литература [4, c.20-29]
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС
1. Решение задач на примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий
2. Классификация и номенклатура ХПК и БПК
3.Повторение предыдущих тем
Занятие 4
Тема 4. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных сточных вод.
Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода. Использование
рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или
ароматических веществ.
Для занятия необходимо знать пути биотехнологического усовершенствования
интенсивных методов переработки бытовых и производственных сточных вод
План занятия
1. Промежуточный контроль (методы пространственного разделения различных микробных
консорциумов)
2. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
3. Контрольная работа №1 (рубежный контроль)
Рекомендуемая литература
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС
1. В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования интенсивных
методов переработки бытовых и производственных сточных вод.
2. Оцените надежность интенсификации процессов очистки методом пространственного
разделения различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3. Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.
Занятие 5 Анаэробные процессы очистки сточных вод
План занятия
1. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных сточных вод.
2. Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3. Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
4. Аэробные и анаэробные процессы очистки сточных вод, их характеристика.
5. Реакторы, использующиеся для аэробной очистки сточных вод. Схема работы
гомогенных реакторов.
6. Популяционные проблемы «активного ила». Формирование ценозов «активного ила».
Микроорганизмы «активного ила», их соотношение и значимость отдельных
консорциумов. Формирование зооглей – симбиоза популяций микроорганизмов, покрытых
общей слизистой оболочкой.
7. Роль простейших в эффективности работы «активного ила». Показатель НОВ (нагрузка
на ил по органическому веществу – важнейший параметр при проектировании станций
аэрации.
8. Управление работой вторичного отстойника. Реакторы с неподвижной биопленкой –
биофильтры, процессы, которые в них происходят.
9. Технологическая схема процессов, протекающих с использованием биофильтров.
10.
Классификация биофильтров в зависимости от способа очистки, вида
загрузочного материала и режима подачи жидкости.
11.
Заиливание
биофильтров.
Использование
иммобилизованных
клеток
микроорганизмов в аэротенках
Тестовый контроль
Тема: Биологические методы очистки стоков
A.
B.
C.
D.
E.
1. Дайте определение понятию - «сточные воды».
стоки с разнообразными органическими и неорганическими загрязнениями;
стоки с разнообразными токсическими соединениями;
стоки промышленных предприятий;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
2. От чего зависит рН, прозрачность и цветность сточной воды?
зависит от количественных объемов сточных вод;
B.
C.
D.
E.
зависит от метода очистки сточных вод;
зависит от содержания растворенного кислорода;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
3. Приведите пример отрицательного влияния сточных вод на естественные водоемы
экосистемы.
наблюдаются изменения в компонентном составе естественных водоемов;
наблюдается снижение продуктивности естественных водоемов;
прекращается способность водоемов к самоочищению;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
4. Каково назначение документа «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами»?
документ регламентирует правила санитарного состояния сточных вод;
документ указывает метрологические параметры для очистки сточных вод;
документ позволяет нормировать показатели загрязнения в естественном водоеме;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
5. Объясните необходимость учета концентрации загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами?
A.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень предельно допустимых
концентраций ядовитых веществ;
B.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень биохимическое
потребление кислорода;
C.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень химическое
потребление кислорода;
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
6. Объясните, в чем разница между БПК и ХПК?
разница в средних значениях количественных показателей;
разница в методе определения потребленного кислорода в сточных водах;
разница в прогностической значимости рассматриваемых методов;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
7. Как называется показатель позволяющий определить количество кислорода в
водоеме, расходуемое в процессе биохимического потребления кислорода?
ХПК;
БПК;
ПДК;
СРС;
ОБХС.
A.
B.
C.
D.
8. Обоснуйте необходимость учитывать метод очистки сточных вод?
метод очистки сточных вод зависит от планов дальнейшего ее использования;
метод очистки сточных вод зависит от уровня химического загрязнения;
метод очистки сточных вод зависит от концентрации ядовитых и токсических веществ;
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
9. Приведите пример механической очистки сточных вод.
экстракция;
синтез;
фильтрация;
выпаривание;
сублимация.
A.
B.
C.
D.
E.
10. Приведите пример биологической очистки сточных вод.
фильтрация;
создание микробиологических консорциумов;
выпаривание;
культивирование;
экстракция.
A.
B.
C.
D.
E.
11. Приведите пример третей ступени очистки сточных вод.
ультрафильтрация;
микроскопия;
экстракция;
сушка;
все ответы верны.
12. Укажите принципиальные различия между биологическим и химическим методом
очистки сточных вод.
A.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных концентрациях реактивов;
B.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании ультрафиолетового излучения;
C.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных значениях физических параметров;
D.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании живых консорциумов;
E.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
эксплуатации энергосберегающих технологиях.
A.
B.
C.
D.
E.
13. Приведите пример факторов, от которых зависит очистка сточных вод.
рН сточных вод;
микробиологический уровень загрязнения сточных вод;
химический состав сточных вод;
географическое расположение водоема со сточными водами
все ответы верны.
A.
B.
C.
D.
E.
14. Приведите примеры типов сооружений для очистки сточных вод.
локальные, общие, районные;
общие, частные, единичные;
малые, средние, большие;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
A.
15. Объясните, чем представлена локальная очистная система сточных вод?
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими методами;
B.
очистная система состоит из нескольких ступеней очистки;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков непосредственно после
технологических процессов;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
16. Объясните, чем представлены общие очистные сооружения сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков на третьей ступени- доочистку;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
17. Объясните, чем представлена биологическая очистная система сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими методами;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков состоит из нескольких ступеней
очистки;
C.
очистная система использует способность микроорганизмов использовать в качестве
ростовых субстратов различные химические соединения;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
18. Дайте обоснование достоинств биологического метода очистки сточных вод.
A.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только фенольные
соединения;
B.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только органические
соединения;
C.
для биологического метода очистки сточных вод используют простое аппаратурное
оформление и протекания процесса;
D.
биологический метод очистки сточных вод не требует больших финансовых затрат;
E.
биологический метод очистки сточных вод имеет очень высокие эксплуатационные
расходы.
19. Дайте характеристику аэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для биообъектов
доступ к свободному кислороду;
C.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов кислород;
D.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
20. Дайте характеристику анаэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для биообъектов
доступ к свободному кислороду;
C.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов кислород;
D.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
Рекомендуемая литература
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные задания для СРС
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
Занятие 6. Утилизация твердых отходов
План занятия
1. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных отходов.
2. Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
1.
2.
3.
4.
3. Использование рекомбинантных штаммов для
высокотоксичных или ароматических веществ.
Промежуточный контроль
Примеры использования методов
Индивидуальная работа по заданию преподавателя
Проверочная работа (текущий контроль)
утилизации
трудноокисляемых,
Рекомендуемая литература
15.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
16.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
17.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
18.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
19.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
20.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
21.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
22.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
23.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
24.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
25.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
26.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
27.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
28.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные задания для СРС
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
Тема 7. Биодеградация ксенобиотиков
План занятия
1. Общая характеристика класса ксенобиотиков
2. Деградация ксенобиотиков
3. Конструирование микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
5. Промежуточный контроль
Тема: Деградация ксенобиотиков
1.
Дайте определение понятию ксенобиотики.
A.
естественным путем возникшие микробные популяции, которые, могут сохраняться в
почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта
B.
внехромосомные генетические элементы
C.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные
вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы
или фосфора
D.
очень устойчивые соединения, долго присутствующие в окружающей среде в результате
прочной адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой миграции
E.
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть.
A.
B.
C.
D.
E.
2.
Перечислите виды загрязнений окружающей среды группы ксенобиотиков
дихлордифенилтрихлорэтан
нефть
ионы тяжелых металлов
гептил
угарный газ
3.
Дайте определение понятию антибиотики.
A.
растения с выраженными антимикробными свойствами
B.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, химические удобрения)
C.
высокомолекулярные природные соединения (белки, нуклеиновые кислоты и.т.д)
D.
органические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие способностью
убивать микробы
E.
все ответы ошибочны.
4.
Пользуясь схемой, определите максимальные значения коэффициента увеличения
концентрации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) в различных группах живых
организмов
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
A.
B.
C.
D.
E.
F.
A.
B.
100

106

108
100
1010
106
108
1012
5.
Приведите пример живых организмов которые подвергают полной деградации
ксенобиотики, то есть минерализуют их до диоксида углерода, воды, аммиака,
сульфатов и фосфатов.
водоросли
грибы и водоросли
C.
D.
E.
коловратки и круглые черви
нематоды и микроорганизмы
микроорганизмы
A.
B.
C.
D.
E.
6.
От чего зависит поведение ксенобиотика в природе
структуры самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробным пейзажем
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
7.
Перечислите факторы в совокупности определяющие скорость и глубину
трансформации ксенобиотика.
структура самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробный пейзаж
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
8.
В чем заключается сущность биологической деградации ксенобиотиков
измельчение субстрата, перемешивание с биомассой, брожение
полная минерализация, разрушение и детоксикация
концентрирование, детоксикация, утилизация
брожение, детоксикация, минерализация
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
9.
Укажите принципиальные различия между путями для борьбы с загрязнением
биосферы ксенобиотиками и загрязнением гидросферы ксенобиотиками
сбор ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
детоксикация ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
трансформация ксенобиотиков попавших в среду
удаление ксенобиотиков, попавших в среду
все ответы верны
10.
Каковы существенные различия деградации ксенобиотиков в почве от
деградации ксенобиотиков биосфере
A.
сбор ксенобиотиков и далее среди них вести селекцию на увеличение скорости
деградации
B.
выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее
среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации
C.
детоксикация ксенобиотиков
D.
трансформация ксенобиотиков
E.
удаление ксенобиотиков
11.
В чем заключается сущность селективной работы с микроорганизмами
деградирующими ксенобиотики?
A.
отбор физиологических мутантов, отбором на генную рекомбинацию и на основе
механизма переноса плазмид
B.
отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов
C.
отбором биохимических мутантов, транформация с получением генной дупликации
D.
отбором генетических мутантов, и основе механизма кроссинговера генов
E.
все ответы верны
6. Примеры использования методов
7. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
8. Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод. –
Л., 1979.
6.
Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М., 1976.
7.
Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8.
Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков,
Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9.
Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды. –
Киев, 1978.
10.
Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11.
Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
5 Методические указания для выполнения практических работ
Практическая работа №1
Тема: Влияние концентрации субстрата на рост микроорганизмов
Порядок выполнения работы:
Отчет о выполненной работе:
Одной из характерных особенностей роста микроорганизмов являются часто
наблюдаемые эффекты его ингибирования избытком субстрата. Удельная скорость
роста культур микроорганизмов на начальном участке зависимости растет с
увеличением концентрации субстрата, выходит на насыщение, а затем при высоких
концентрациях субстрата начинает уменьшаться. В силу этого активный рост
популяции становится возможным лишь в узком диапазоне концентраций
субстрата.
При анализе экспериментальных данных, если есть основания считать, что
процесс может ингибироваться избытком субстрата необходимо исследовать
зависимость накопления клеток или продуктов реакции в экспоненциальной фазе
при различных начальных концентрациях субстрата с определением удельной
скорости роста μ. Если зависимость μ от S0 обнаружит экстремальный характер,
это будет однозначно свидетельствовать в пользу процесса с ингибированием
избытком субстрата.
Кроме того, информацию о том, что рост микроорганизма связан с
ингибированием избытком субстрата, можно получить из анализа одной
кинетической кривой роста. Если использовать линеаризацию экспериментальных
данных в координатах уравнений

ln  M

N
M  N0
0

  

  Mm
(4.1)
или
M

ln  i

M
Mi  M j
j

  
i   j
  Mm
(4.2)
до степени конверсии 0,4-0,6, то можно определить значения μ и Φ. В том случае,
если найденное Φ отрицательно, можно с уверенностью говорить, что процесс
протекает с ингибированием избытком субстрата.
Цель работы: Изучить влияние концентрации субстрата на рост
микроорганизмов.
З а д а ч и:
1)
приготовить питательную среду с известной концентрацией субстрата S0,
2)
приготовить посевной материал с известным титром клеток,
3)
произвести засев питательной среды,
4)
рассчитать количество клеток N0 в единице объема среды,
5)
производить подсчет количества клеток в культуральной жидкости
каждые 30 минут,
6)
произвести окончательный подсчет количества клеток через 24 часа
после начала процесса культивирования,
7)
8)
9)
10)
рассчитать удельную скорость роста μ,
на основании своих данных и данных полученными другими группами
построить график зависимости μ от S0,
на основании своих данных с использованием уравнений 4.1 и 4.2
определить параметр Ф,
сделать соответствующие выводы.
М а т е р и а л ы и о б о р у д о в а н и е: дрожжи прессованные, сахар,
сульфат аммония, фосфорнокислый калий одно- или двухзамещенный, камера
Горяева, колбы конические на 250 см3, пробки ватно-марлевые.
Х о д р а б о т ы:
1) Каждая группа готовит питательную среду с определенной концентрацией
сахара по заданию преподавателя в количестве не менее 150 см3.
2) В среду вносятся минеральные источники азота и фосфора. Сульфат аммония
– 1% и фосфорнокислый калий – 0,5% от массы среды.
3) Готовится посевной материал на все группы. В 100 см 3 теплой воды
разводится 5 г прессованных дрожжей и в камере Горяева подсчитывается титр
дрожжевых клеток.
4) В питательную среду вносится посевной материал в количестве 5% об.
5) Засеянная питательная среда разливается в 3 конические колбы по 50 см 3.
Колбы закрываются пробками и ставятся на качалку.
6) Через каждые 30 минут из колб с культуральной жидкостью отбираются
пробы для подсчета титра клеток.
7) Культивирование прекращают через 24 часа после начала процесса.
8) В дальнейшем выполняют пункты 7, 8, 9, 10 задач лабораторной работы.
1)
2)
3)
4)
5)
Вопросы на защиту лабораторной работы:
Сделайте вывод интегрального уравнения Моно.
Как можно выявить механизм ингибирования роста микроорганизмов?
В каких случаях используются уравнения 4.1 и 4.2?
Раскройте сущность параметра Ф.
В каких случаях используются параметры Ф и φ?
Рекомендуемая литература:
1. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое
производство биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.«Высшая школа».-1987.
2. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания
промышленных штаммов микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».1988.
3. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых
веществ».- Москва.- «Высшая школа».-1987.
4. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virusinhibiting factor (interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and
temperature shift-down after stimulation with Newcastle disease virus //
Microbiol. Immunol. – 1980. – Vol. 24. – P.907-914.
5. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods
and applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа №2
Тема. Определение скорости разбавления
Порядок выполнения работы:
При непрерывном культивировании микроорганизмов в режиме хемостата
одним из основных параметров процесса является скорость разбавления D. При
достижении в хемостате стационарного состояния удельная скорость роста
микроорганизмов равна скорости разбавления (μ=D).
Скорость разбавления можно определить как отношение объемной скорости
истечения среды из ферментера к ее объему (5.1)
(5.1)
Dv ,
V
где v – объемная скорость (см3/мин), V- объем среды (см3).
Так же скорость разбавления можно определить по скорости
вымывания определенного вещества. Скорость вымывания вещества А
можно выразить следующим образом
dA
 k  A ,
dt
(5.2)
где А – концентрация вещества, k – удельная скорость вымывания вещества.
Знак « - « говорит о том, что концентрация вещества со временем убывает.
Приведя уравнение 5.2 к разделяющимся переменным получим
dA
  k  dt .
A
(5.3)
Интегрируя 5.3 с учетом того, что при t=0 A=A0 получаем
ln
A
 k  t
A0
(5.4)
где А0 – начальная концентрация вещества.
Построив график зависимости lnA/A0 от времени t по тангенсу угла наклона
линейной зависимости мы можем определить удельную скорость вымывания k или
скорость разбавления D.
Цель работы: определить скорость разбавления в проточном реакторе полного
смешения.
Задачи:
1) определить скорость разбавления по скорости вымывания вещества;
2) определить скорость разбавления по объемной скорости истечения
жидкости.
Материалы и оборудование: вода, краситель метиленовый синий,
фотоэлектроколориметр, модель проточного реактора полного смешения.
Ход работы:
1)
В сосуд 3 заливается вода чуть выше уровня трубки 4 при закрытом
зажиме 5.
2)
Сосуд устанавливается на магнитную мешалку 6.
3)
В сосуд 3 с водой добавляют несколько капель красителя и включают
мешалку.
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
После полного перемешивания красителя с водой открывают зажим 5 и
излишек подкрашенной воды самотеком сливается в стакан 7.
В полученной пробе измеряется оптическая плотность на
фотоэлектроколориметре (А0).
К сосуду 3 присоединяется сосуд 1 как показано на рис. 5.1.
Открывается зажим 2 таким образом, чтобы вода из сосуда 1 поступала в
сосуд 3 по каплям.
Затем каждые 5 минут производится отбор пробы жидкости вытекающей
из сосуда 3, пробы колориметрируются и результаты записываются.
Отбор проб проводится до тех пор, пока показания колориметра не станут
одинаковыми.
По полученным данным строят график зависимости логарифма
отношения оптической плотности в начальный момент времени к
оптической плотности в момент времени t от времени t.
По тангенсу угла наклона линейной зависимости находят скорость
вымывания (скорость разбавления)
При помощи мерного цилиндра определяется объемная скорость
истечения жидкости v из сосуда 3 (см3/мин).
Зажим 2 закрывается и сосуд 1 отсоединяется от сосуда 3.
При помощи мерного цилиндра измеряется объем жидкости V в сосуде 3.
По формуле 5.1 вычисляется скорость разбавления.
Вопросы на защиту:
1) Способы определения скорости разбавления.
2) Сравните экспериментальные значения скорости разбавления, полученные
различными способами. Какой из них, по вашему мнению, является более
точным?
3) Напишите уравнения, описывающие стационарное состояние в хемостате.
4) Дайте определение величины Dк.
5) Что будет происходить в хемостате при μ< Dк и при μ> Dк?
Рекомендуемая литература:
1. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия 8 класс. «Просвещение» . Москва.:
1995, С. 33-42.
2. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264
с
3. Бутенко Р.Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза
растений.-М.:Наука, -1964, -272 с
4. Бутенко Р.Г., Гусев М.В., Киркин А.Ф., Корженевская Т.Т., Маркова Е.Н.
Клеточная инженерия. -М.: Высшая школа, -1987, -127 с.
Практическая работа № 3: Приобретение навыков приготовления и расчетов
концентраций растворов.
Цель: Усвоить основные принципы расчетов и приготовления питательных сред
для культивирования биологических объектов.
План:
1. Определение молярности раствора.
2. Вычисление массовой доли раствора.
3. Определение концентрации раствора.
4. Чему равна молярная концентрация?
Каждую химическую реакцию мы рассматриваем с качественной стороны, т.е.
определяем какие вещества вступают в реакцию, и с количественной стороны, т.е. в каких
массовых отношениях реагируют эти вещества без остатка. Рассматривая химическую
реакцию с количественной точки зрения, нас интересуют не только массовые отношения,
но и отношение числа частиц (атомов, молекул), вступивших в данную реакцию.
Если какую-либо химическую реакцию рассматривают с точки зрения числа частиц
, то применяют физическую величину «количество вещества». Единицей количества
вещества является моль.
Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько
содержит атом углерода в 0,012 кг углерода.
Моль – это количество вещества, содержащее 6,02х1023 молекул, атомов или
других частиц.
Молярная масса М вещества равна отношению массы m вещества к
соответствующему количеству вещества  (читается «ню»):
М= m/
Ход работы:
Задание 1. Приготовить раствор 500 см3 содержащий 0,6 М NaOH.
Пример расчета:
Если известна молярная концентрация раствора, то можно расчитать количество
вещества в растворе по формуле: (NaOH) =с (NaOH) х V(раствора) = 0,6 х 0,5 = 0,3 моль
(V- измеряется в литрах). Тогда масса NaOH в растворе составит m (NaOH) =  (NaOH) х
М (NaOH) = 0,3 х 40 = 12 грамм.
Задание 2. Приготовить раствора 50 см3 содержащий 0,1 М NaOH. Этот раствор
используется для растворения фитогормонов.
Задание 3. При растворении кристаллогидрата CaCl2 x 6H2O массой 219 грамм в
1000 граммах воды образуется раствор. Какова массовая доля (%) хлорида кальция.
Пример расчета:
Даже при раствории в воде кристаллогидрата – соли, в полученном растворе
кристаллогидрата нет. Массовую долю расчитывают для безводного хлорида кальция по
формуле  (CaCl2) = m (CaCl2) / m (раствора);
Предварительно расчитывая массу раствора и массу раствора, и массу безводного
хлорида кальция в кристаллогидрате: m (раствора) = m(Н2О) + m(CaCl2 х 6Н2О) = 1000 +
219 = 1219 грамм;
( CaCl2 х 6Н2О) = ( CaCl2 ) = 1 моль;
m CaCl2 = 111г. Следовательно массовая доля CaCl2 = 111/1219 = 0,091 (или 9,1%)
Задание 4. Для приготовления раствора с массовой долей NaCl 6% к 200 граммам
раствора с массовой долей NaCl 30% - сколько необходимо прилить воды?
Контрольные вопросы:
1. Какое вы можете сделать заключение о составе молекул природной воды и воды,
полученной в химической лаборатории?
2. Какое практическое значение имеет закон постоянства состава вещества?
3. Как вычислять массовые доли элементов?
Рекомендуемая литература:
5. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия 8 класс. «Просвещение» . Москва.: 1995, С.
33-42.
6. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264 с
7. Бутенко Р.Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза
растений.-М.:Наука, -1964, -272 с
8. Бутенко Р.Г., Гусев М.В., Киркин А.Ф., Корженевская Т.Т., Маркова Е.Н.
Клеточная инженерия. -М.: Высшая школа, -1987, -127 с.
Практическая работа № 4: Микроорганизмы в биотехнологическом производстве.
Цель. Раскрыть технический аспект получения рекомбинантных ДНК. Объяснить,
что с помощью микробов можно получить большое количество чужеродной ДНК, чтобы
исследовать ее. Если в бактериальной клетке происходит экспрессия генов такой ДНК, это
позволяет микробиологическим путем получить, например, гормоны и ферменты.
План:
1. Создание микроорганизмов-продуцентов.
2. Генно-инженерное получение микроорганизмов-продуцентов.
В настоящее время микроорганизмы продуцируют десятки видов соединений – это
аминокислоты, антибиотики, белки, витамины, липиды, нуклеиновые кислоты,
полисахариды, пигменты, сахара, ферменты, гормоны и т.д.
Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам жесткие
требования, которые важны для технологии производства: высокая скорость роста,
использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению
посторонней микрофлорой.
1. Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью
тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны
высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции и
использования достижений генной инженерии. В результате производительность
продуцентов удается увеличить в сотни - тысячи раз.
2. В середине 70-х гг возникла новая экспериментальная технология - генетическая
инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in
vitro) и ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой
технологии стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать,
соединять друг с другом, получая "слитые гены", продуцирующие белки с совершенно
новыми свойствами (белковая инженерия). Появляется новый способ получения
индивидуального гена - клонирование (получение множества копий одного гена).
Арсенал генно-инженерных штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами
природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать
производство на базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукция
второго поколения. Биопродукция третьего поколения будет искусственно синтезировать
соединения, полностью имитирующие биологические функции природных белков, но не
являющиеся ими..
Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) широко
используется в биотехнологическом производстве, прежде всего белков и пептидов
(белковых молекул, состоящих из небольшого числа аминокислот), которые
синтезируются в организме человека и используются как медикаменты (Рис.1).
Рисунок 1. Принципиальная схема манипуляций генной
инженерии
- Фрагмент ДНК.
- Вектор плазмидная ДНК.
- Расщепление ДНК рестректирующими
эндонклеазами.
- Рекомбинантная ДНК.
- Клетка хозяина и
рекомбинантная
ДНК
Практическая работа №5 Получение белков человека и животных.
Цель: Освоить основные принципы конструирования рекомбинантных ДНК с целью
получения штаммов-продуцентов биологически активных веществ (белков, ферментов,
витаминов).
План
1. Объяснить метод получения рекоминантных ДНК.
2. Назовите основные отрасли для использования белков человека и животных.
3. При синтезе интерферона используется генетическая инструкция, заключенная в
структурном гене, поясните механизм ее работы (в основе механизма гипотеза
Жакоба-Моно).
Для объяснения гипотезы Жакоба и Моно необходимо вспомнить механизм
гомеостатического регулирования внутренней сред. Гомеостатической механизм, имеет
некоторую свободу колебания, что активизирует систему управления и возвращает
переменную к оптимальным значениям. Подобные системы основаны на принципе
обратной связи. Системы с обратной связью имеют «выход» который может служить и
«входом».
Для осуществления обратной связи необходимо, что бы результат работы данной
системы сравнивался с заданным значением («установкой»), являющимся оптимальным
значением регулируемого параметра (переменной), а в случае отклонения от него,
соответствующим образом изменялся.
вход
регулятор
эффектор
выход
Основные компоненты систем управления.
По тории Жакоба и Моно, в ДНК, кроме структурных генов, несущих информацию
о процессе биосинтеза белка (интерферона), есть гены-операторы и гены регуляторы.
Гены регуляторы – кодируют синтез специфического вещества – репрессора, который
присоединяется к гену – оператору и может регулировать работу структурного гена,
отвечающего за синтез белков, вплоть до прекращения процесса синтеза. Но, если в
клетку попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним,
освобождая ген-опрератор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит
матрицей для производства белка. После того как вектор индуктор израсходуется,
репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, связывается вновь с геномопрератором – и цикл повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне.
Контрольные вопросы:
1. Как работает биологическая система по принципу обратной связи?
2. Как получают белки человека и животных?
3. Поясните на примерах процедуру получения белков человека.
Рекомендуемая литература:
1. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264 с
2. Елинов Н. П. Основы биотехнологии. СПб.: Наука, 1995.
3. Бекер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райнулис Е. П. Биотехнология. М.: Агропромиздат,
1990.
4. Серия “биотехнология”: В 8 т./ Под ред. Н. С. Егорова и В. Д. Самуилова. М.:
Высш. шк., 1987–1988.
5. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир. 1987.
6. Сельскохозяйственная биотехнология: векторные системы молекулярного
клонирования. М.: Агропромиздат, 1991.
Практическая работа № 6: Синтез и получение микробного белка.
Цель: Изложить наиболее важные сведения о выделении и селекции микроорганизмов –
продуцентов биологически активных веществ. Раскрыть принципиальные подходы к
улучшению штаммов промышленных микроорганизмов. Промышленные ферменты,
продуцируемые микроорганизмами.
План:
1. Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти.
2. Производство белка с использованием субстрата растительного происхождения,
т.е. смеси моносахаридов.
3. Получение продуктов питания на основе микробного синтеза.
Одно из крупномасштабных направлений биотехнологии - микробиологическое
производство белка одноклеточных. Все используемые в производстве кормовых
дрожжей субстраты можно разделить на:
 отходы переработки растительного сырья, которые нуждаются
предварительном гидролизе, т.к. содержат много целлюлозы;
 продукты переработки нефти;
 отходы животноводства;
 отходы переработки плодов и овощей.
в
1. Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти имеет значительный
удельный вес в объеме производимых в нашей стране кормовых дрожжей. Однако нефть
относится к не возобновляемым ресурсам, поэтому не может быть основным сырьем для
микробиологического синтеза на дальнюю перспективу. Наряду с углеводородами для
синтеза белка перспективны метан, водород и низкомолекулярные спирты (метанол,
этанол). Белок дрожжей содержит все жизненно необходимые аминокислоты и
усваивается лучше, чем белок концентрированных кормов растительного происхождения.
По своей биологической ценности он приближается к белку рыбной муки, выгодно
отличаясь от нее тем, что не придает мясу специфического запаха и более охотно
поедается животными. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше сырого белка, чем
ячмень или овес. Их ценность обусловлена и наличием витаминов группы В, ферментов и
гормонов.
Опыт передовых животноводческих хозяйств показывает, что использование
кормового белка повышает надои молока, увеличивает привесы скота, ускоряет развитие
пушных зверей, улучшает качество мяса, молока, повышает сортность меха.
Наибольший эффект достигается при скармливании дрожжей молодым животным,
у которых повышается жизнеспособность, ускоряется рост и улучшается развитие
костяка. При выпаивании телят 1 т дрожжей заменяет до 8,4 т цельного молока.
Производство белков одноклеточных имеет многие преимущества перед
производством белка в животноводстве и растениеводстве. 500 кг дрожжей дают за сутки
80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г
белка.
2. Особый интерес в качестве субстрата для культивирования дрожжей
представляют углеводы растительного происхождения, т.е. смеси моносахаридов,
образующиеся в результате деполимеризации природных полисахаридов - целлюлозы,
гемицеллюлоз, крахмала и т.п. Растительное сырье - возобновляемое. Кроме того,
несмотря на доказанную безвредность всех используемых сегодня типов белка
одноклеточных, именно дрожжи, культивируемые на углеводах растительного
происхождения, вызывают наименьшее возражение потребителей в силу многовековой
привычки людей к использованию растительных источников пищевых продуктов и
лекарственных средств. В России существует развитая промышленность кормовых
гидролизных дрожжей.
При создании экологически чистых технологий для отраслей АПК,
перерабатывающих растительное сырье, ориентируются прежде всего на малоотходное
производство и комплексную переработку растительного сырья. Существует много
вариантов подхода к решению этой проблемы. Обогащение малоценных
углеводсодержащих отходов (соломы, свекловичного жома, виноградных выжимок и пр.)
микробным белком - один из возможных путей снижения дефицита кормового белка в
рационах сельскохозяйственных животных.
Другой вариант решения проблемы - выращивание сельскохозяйственных культур
для последующей переработки их методами биотехнологии в углеводно-белковые
продукты кормового назначения.
3. Одно из направлений биотехнологии - производство продуктов пищевого
назначения (пиво, сыр, кисло-молочные продукты и пр.). В нашей стране разрешено
применять как пищевую добавку мицелий высших грибов.
Контрольные вопросы:
1.
Назовите основные требования, предъявляемые к биологическому объекту, как
источнику синтеза белка?
2.
Какие группы микроорганизмов могут быть использованы для микробного
синтеза?
3.
Расскажите о перспективе развития метода микробного синтез белка.
Рекомендуемая литература:
6. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое производство
биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.- «Высшая школа».1987.
7. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания промышленных
штаммов микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».-1988.
8. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых
веществ».- Москва.- «Высшая школа».-1987.
9. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virus- inhibiting
factor (interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and temperature
shift-down after stimulation with Newcastle disease virus // Microbiol. Immunol. –
1980. – Vol. 24. – P.907-914.
10. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods and
applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа № 7 Микробный синтез
Цель: Закрепить основные знания о выделении и селекции микроорганизмов –
продуцентов биологически активных веществ. Освоить принципиальные подходы к
улучшению штаммов промышленных микроорганизмов. Повторить основные группы
промышленных ферментов, продуцируемых микроорганизмами.
План :
1. Основные характеристики микроорганизмов использующихся для микробного
синтеза белка.
2. Создание базы для получения кормовых белков методом микробного синтеза.
3. Основные стадии микробиологического производства:
 приготовление питательных сред и выращивание посевной культуры;
 ферментация (глубинное выращивание микроорганизмов в ферментере);
 сепарирование биомассы;
 инактивация и сушка;
 очистка сточных вод и воздушных выбросов.
4. Производство
микробиологического
кормового
белка
–
получение
высокобелковых добавок из отходов растениеводства и переработки леса.
Контрольные вопросы:
4.
Назовите основные требования, предъявляемые к биологическому объекту, как
источнику синтеза белка?
5.
Какие группы микроорганизмов могут быть использованы для микробного
синтеза?
6.
Расскажите о перспективе развития метода микробного синтез белка.
Рекомендуемая литература:
11. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое производство
биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.- «Высшая школа».1987.
12. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания промышленных
штаммов микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».-1988.
13. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых
веществ».- Москва.- «Высшая школа».-1987.
14. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virus- inhibiting
factor (interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and temperature
shift-down after stimulation with Newcastle disease virus // Microbiol. Immunol. –
1980. – Vol. 24. – P.907-914.
15. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods and
applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа № 8: Биоэнерготехнология
Цель: Ознакомить студентов с методом образования биогаза, основной частью
которого является метан.
План:
1. Получение газообразных топливных веществ.
2. Получение биогаза.
3. Технология получения метана.
4. Получение молекулярного водорода.
1. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, но
наиболее эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой
биомассы в энергию - получение углеводородов и биогаза (метана).
2. Биогаз, образованный в результате брожения, представляет собой смесь, главные
компоненты которой метан (65%), углеводород (30%) и сероводород (1%). Для получения
биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли,
целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных
микробных ассоциаций. Его получение - эффективный способ утилизации отходов
сельского хозяйства (Рис 1-2).
Рисунок 1. Схема получения биогаза.
3. Ведущее место в мире по производству биогаза занимает Китай. В индии
засевают специальные "энергетические" плантации, использующие солнечную энергию
для ускоренного роста трав, водорослей, водяного гиацинта. Собранную с плантации
растительную массу измельчают и подают в биогазовые камеры для сбраживания и
получения метана. Перспективность утилизации сельскохозяйственных отходов состоит в
том, что навоз сельскохозяйственных животных и птиц - возобновляемый энергоноситель.
В нашей стране первые работы по сбраживанию навоза проведены еще в 50-е гг.
Анаэробное сбраживание птичьего помета проводила Истринская птицефабрика в
Подмосковье. Экспериментальная установка перерабатывала 10 т помета в сутки,
вырабатывая 1000 м3 биогаза.
Рисунок 2. Схема получения биогаза в Лахольме (Германия).
Контрольные вопросы:
1. В какой области хозяйственной деятельности человека возможно использовать
биогаз?
2. Какие вы знаете альтернативные способы получения энергии?
3. Прокомментируйте схему производства метана и молекулярного водорода
биотехнологическим методом.
4. Практическое значение метанообразующих бактерий
Рекомендуемая литература:
Газарян К.Г., Тарантул В.З. Биотехнология за рубежом. - М.: Знание, 1990.
Биотехнология. Принципы и применение. - М.: Мир, 1988.
Биотехнология. Курс лекций. - Пущино, 1989.
Биотехнология и ее применение в отраслях народного хозяйства. - М., 1988.
Драгавцев В. Будущность генетико-селекционных технологий.//Экономист. 1998. - №1, с.22-24.
6. Сироткин О. Технологический облик России на рубеже XXI века.// Экономист. 1998. - №4, с.3-9
7. Садовникова Е.А., Шакир И.В. Биотехнология - что это такое?//Химия в школе. 1994. - №2, с. 3-5
6 Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование
темы СРСП
Цель занятия
Форма
проведения
занятия
Тема 1. Предмет и Формирование
Решение
задачи
навыка
решения задач
экологической
задач данного типа
биотехнологии, ее
Содержание
задания
Решение задач
Рекоменду
емая
литература
[4, c.7-14]
значение
в
современном
обществе.
Тема
2. Формирование
Решение
Биогеохимические навыка
решения задач
циклы.
задач данного типа
[4, c. 106117]
Тема
3.
Роль
микроорганизмов
в
кругообороте
веществ.
Тема 4. Схемы
кругооборота
углерода,
кислорода, азота и
серы.
Тема
5.
Взаимосвязь
микроорганизмов
в
естественных
экосистемах
–
почвах и водоемах.
Тема
6.
Синтрофизм
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
[4, c. 106117]
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
[4, c. 106117]
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
[4, c. 106117]
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
[4, c. 106117]
Тема
7.
Межвидовые
отношения
и
взаимоотношения
микроорганизм –
растение.
Тема 8. Бытовые,
промышленные и
сельскохозяйствен
ные стоки, их
состав и критерии
оценки качества.
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
[4, c. 106117]
Формирование
Решение
навыка
решения задач
задач данного типа
Решение задач
[4, c.14-20]
7 Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и
итоговой аттестации
Тестовый контроль по дисциплине «Экологическая биотехнология»
1.
A.
B.
C.
D.
E.
Дайте определение понятию - «сточные воды».
все ответ верны
стоки с разнообразными токсическими соединениями;
стоки промышленных предприятий;
стоки с разнообразными органическими и неорганическими загрязнениями;
все ответы ошибочны.
2.
A.
B.
C.
D.
E.
От чего зависит рН, прозрачность и цветность сточной воды?
зависит от содержания растворенного кислорода;
зависит от количественных объемов сточных вод;
зависит от метода очистки сточных вод;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
3.
Приведите пример отрицательного влияния сточных вод на естественные водоемы
экосистемы.
A.
все ответ верны;
B.
наблюдаются изменения в компонентном составе естественных водоемов;
C.
наблюдается снижение продуктивности естественных водоемов;
D.
прекращается способность водоемов к самоочищению;
E.
все ответы ошибочны.
4.
Каково назначение документа «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами»?
A.
документ позволяет нормировать показатели загрязнения в естественном водоеме;
B.
документ регламентирует правила санитарного состояния сточных вод;
C.
документ указывает метрологические параметры для очистки сточных вод;
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
5. Объясните необходимость учета концентрации загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами?
A.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень предельно
допустимых концентраций ядовитых веществ;
B.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень биохимическое
потребление кислорода;
C.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень химическое
потребление кислорода;
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
6. Объясните, в чем разница между БПК и ХПК?
A.
все ответы верны;
B.
разница в средних значениях количественных показателей;
C.
D.
E.
разница в методе определения потребленного кислорода в сточных водах;
разница в прогностической значимости рассматриваемых методов;
все ответы ошибочны.
7.
Как называется показатель позволяющий определить количество кислорода в
водоеме, расходуемое в процессе биохимического потребления кислорода?
A.
ХПК;
B.
БПК;
C.
ПДК;
D.
СРС;
E.
ОБХС.
8.
Обоснуйте необходимость учитывать метод очистки сточных вод?
A.
все ответы верны;
B.
метод очистки сточных вод зависит от планов дальнейшего ее использования;
C.
метод очистки сточных вод зависит от уровня химического загрязнения;
D.
метод очистки сточных вод зависит от концентрации ядовитых и токсических
веществ;
E.
все ответы ошибочны.
9.
A.
B.
C.
D.
E.
Приведите пример механической очистки сточных вод.
фильтрация;
экстракция;
синтез;
выпаривание;
сублимация.
10.
A.
B.
C.
D.
E.
Приведите пример биологической очистки сточных вод.
создание микробиологических консорциумов;
фильтрация;
выпаривание;
культивирование;
экстракция.
11.
A.
B.
C.
D.
E.
Приведите пример третей ступени очистки сточных вод.
ультрафильтрация;
микроскопия;
экстракция;
сушка;
все ответы верны.
12.
Укажите принципиальные различия между биологическим и химическим методом
очистки сточных вод.
A.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании живых консорциумов;
B.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных концентрациях реактивов;
C.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании ультрафиолетового излучения;
D.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных значениях физических параметров;
E.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
эксплуатации энергосберегающих технологиях.
13.
A.
B.
C.
D.
E.
Приведите пример факторов, от которых зависит очистка сточных вод.
все ответы верны
рН сточных вод;
микробиологический уровень загрязнения сточных вод;
химический состав сточных вод;
географическое расположение водоема со сточными водами
14.
A.
B.
C.
D.
E.
Приведите примеры типов сооружений для очистки сточных вод.
локальные, общие, районные;
общие, частные, единичные;
малые, средние, большие;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
15.
Объясните, чем представлена локальная очистная система сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков непосредственно после
технологических процессов;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими
методами;
C.
очистная система состоит из нескольких ступеней очистки;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
16.
Объясните, чем представлены общие очистные сооружения сточных вод?
A.
все ответы верны;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков на третьей ступенидоочистку;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
E.
все ответы ошибочны.
17.
Объясните, чем представлена биологическая очистная система сточных вод?
A.
очистная система использует способность микроорганизмов использовать в
качестве ростовых субстратов различные химические соединения;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими
методами;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков состоит из нескольких
ступеней очистки;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
18.
Дайте обоснование достоинств биологического метода очистки сточных вод.
A.
для биологического метода очистки сточных вод используют простое аппаратурное
оформление и протекания процесса;
B.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только фенольные
соединения;
C.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только органические
соединения;
D.
биологический метод очистки сточных вод не требует больших финансовых затрат;
E.
биологический метод очистки сточных вод имеет очень высокие эксплуатационные
расходы.
19.
Дайте характеристику аэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для
биообъектов доступ к свободному кислороду;
B.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
C.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов кислород;
D.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
20.
Дайте характеристику анаэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для
биообъектов доступ к свободному кислороду;
C.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов кислород;
D.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
21.
Дайте определение понятию ксенобиотики.
A.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители,
лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы
углерода, азота, серы или фосфора
B.
естественным путем возникшие микробные популяции, которые, могут
сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта
C.
внехромосомные генетические элементы
D.
очень устойчивые соединения, долго присутствующие в окружающей среде в
результате прочной адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой
миграции
E.
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть.
22.
A.
B.
C.
D.
Перечислите виды загрязнений окружающей среды группы ксенобиотиков
дихлордифенилтрихлорэтан
нефть
ионы тяжелых металлов
гептил
E.
угарный газ
23.
Дайте определение понятию антибиотики.
A.
органические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие
способностью убивать микробы
B.
растения с выраженными антимикробными свойствами
C.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, химические удобрения)
D.
высокомолекулярные природные соединения (белки, нуклеиновые кислоты и.т.д)
E.
все ответы ошибочны.
24.
Пользуясь схемой, определите максимальные значения коэффициента увеличения
концентрации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) в различных группах живых
организмов
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
A.
B.
C.
D.
E.
100

106

108
108
100
1010
106
1012
25.
Приведите пример живых организмов которые подвергают полной деградации
ксенобиотики, то есть минерализуют их до диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов
и фосфатов.
A.
микроорганизмы
B.
водоросли
C.
грибы и водоросли
D.
коловратки и круглые черви
E.
нематоды и микроорганизмы
26.
A.
B.
C.
D.
E.
От чего зависит поведение ксенобиотика в природе
все ответы верны
структуры самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробного пейзажа
27.
Перечислите факторы в совокупности определяющие скорость и глубину
трансформации ксенобиотика.
A.
все ответы верны
B.
структура самого соединения
C.
D.
E.
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробный пейзаж
28.
A.
B.
C.
D.
E.
В чем заключается сущность биологической деградации ксенобиотиков
полная минерализация, разрушение и детоксикация
измельчение субстрата, перемешивание с биомассой, брожение
концентрирование, детоксикация, утилизация
брожение, детоксикация, минерализация
все ответы верны
29.
Укажите принципиальные различия между путями для борьбы с загрязнением
биосферы ксенобиотиками и загрязнением гидросферы ксенобиотиками
A.
все ответы верны
B.
сбор ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
C.
детоксикация ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
D.
трансформация ксенобиотиков попавших в среду
E.
удаление ксенобиотиков, попавших в среду
30.
Каковы существенные различия деградации ксенобиотиков в почве от деградации
ксенобиотиков биосфере
A.
выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и
далее среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации
B.
сбор ксенобиотиков и далее среди них вести селекцию на увеличение скорости
деградации
C.
детоксикация ксенобиотиков
D.
трансформация ксенобиотиков
E.
удаление ксенобиотиков
31.
В чем заключается сущность селективной работы с микроорганизмами
деградирующими ксенобиотики?
A.
отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов
B.
отбор физиологических мутантов, отбором на генную рекомбинацию и на основе
механизма переноса плазмид
C.
отбором биохимических мутантов, транформация с получением генной дупликации
D.
отбором генетических мутантов, и основе механизма кроссинговера генов
E.
все ответы верны
32. Составьте перечень предприятий оказывающих основной вклад в загрязнения
атмосферы планеты Земля
A.
нефтеперерабатывающая и химическая промышленность
B.
машиностроение и строительство
C.
радиотехника и электронная промышленность
D.
кораблестроительство и судопроизводство
E.
здравоохранение и образование
33. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют органическую природу?
A.
ароматические и непредельные углеводороды
B.
хлороводород, галагены
C.
окись углерода и аммиак
D.
сернистый газ и сероуглерод
E.
окись углерода
34. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют неорганическую природу?
A.
хлороводород, галагены
Классификация установок биологической очистки воздуха
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
Основная
стадия Источник
установк
режим
удаления примесей минеральных
и
из воздуха
солей
Биофильт Фильтрующий слой – Циркуляция
1.Десорбция мате- Материал
р
иммобилизованные воды
риалом
фильтрующего
на
природных отсутствует
фильтрующего
слоя
носителях микробные
слоя.
клетки
2.Деструкция
микробными
клетками.
Биоскруб Вода, активный ил
Циркуляция
1. Абсорбция в Минеральные
бер
воды
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
1. Диффузия через Минеральные
ор
с на
искусственных воды
водную пленку к соли вносят
омываем носителях микробные
микроорганизмам. воду
ым слоем клетки
2. Деструкция в
биологическом
слое.
B.
C.
D.
E.
в
в
этанол и фенол
ароматические и непредельные углеводороды
ацетон и толуол
хлороформ и ксилол
35. Каковы существенные особенности биологических очистных сооружений воздуха:
биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем
A.
основным элементом очистного аппарата, как и водоочистного биофильтра, является
фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества. Далее эти вещества в
растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и
подвергаются деструкции
B.
в данных аппаратах в первичном тенке, входящем в состав установки,
поступающие стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или
механического перемешивания
C.
главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих
веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение
дополнительного ценного продукта – биогаза.
D.
Очистные сооружения технологически связаны с вторичными отстойниками, в
которых происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники
выполняют также функцию контактных резервуаров
E.
все ответы верны
36. Пользуясь таблицей определите, какую функцию в очистной система воздуха
выполняет «рабочее тело»?
A.
иммобилизованные микроорганизмы
B.
тип аэрации
C.
нагрузка по органическому веществу на ил
D.
качество выходного протока
E.
дезинфицирующий отстойник
37. Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие:
F.
воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в
биоскруббере до относительной влажности в 95–100 %
G.
тщательная предварительная очистка воздуха от взвешенных частиц, способных
засорить распределительное устройство
H.
обеспечение практически горизонтального распределения потока воздуха в слое
носителя
I.
обеспечение при высоких значениях загрязнений удельной поверхности
фильтрующего слоя
J.
биофильтры способны функционировать при отрицательных внешних
температурах.
38. Каковы существенные особенности функционирования биоскрубберов?
A.
все ответы верны.
B.
процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках
C.
применяют различные типы абсорберов
D.
в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости
E.
на второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется
39. Приведите пример основных требований, предъявляемых к установкам биологической
очистки газов
A.
все ответы верны
B.
простота в эксплуатации
C.
эксплуатационная надежность конструкции
D.
высокой удельной производительности
E.
высокой степени очистки
40. Каковы существенные отличия биоскруббера по сравнению с биофильтрами?
A.
занимают меньшую площадь
B.
занимают большую площадь
C.
эксплуатационные затраты ниже
D.
очистка эффективнее при наличии в воздухе плохо растворимых токсических
веществ
E.
производительность ниже, эффективность выше.
41. Пользуясь таблицей определите, какая из представленных установок наиболее
энергоемкая?
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, давле- воды, расход воды
м3
ч–1
%
ния, л/сут.
в сутки
2
Н/м
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
A.
B.
C.
D.
E.
Биоскруббер
Биофильтр с компостом
Биофильтр с волокнистым торфом
Биореактор с омываваемым слоем
Все представленные конструкции энергоемкие.
42. Биологический метод очистки сточных вод: поясните формулировкой
A.
Способность микроорганизмов использовать различные соединения сточных вод,
как субстрат;
B.
Возможность живых организмов накапливать в организме различные соединения
из сточных вод;
C.
Очистка сточных вод на основе фильтрации на уровне живых систем;
D.
Использование технических очистных сооружений управляемых человеком;
E.
Сточные воды пропускают через систему фильтров с химическим компонентом.
43. Биологические процессы для очистки сточных вод: принцип действия аэробных
процессов
A.
Метод проточного культивирования;
B.
Самоочищение;
C.
Природные очистительные сооружения;
D.
Контактный анаэробный процесс;
E.
Использование для очистки биореактора –септитенка.
44. Как называется биологическая ассоциация для очистки сточных вод?
A.
Биопленка;
B.
Биощит;
C.
Биоочиститель;
D.
Биофильтр;
E.
Биослой.
45. Биологические процессы для очистки сточных вод: капельный биофильтр
A.
Оснащен неподвижной биопленкой;
B.
Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
C.
D.
E.
Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
46. Биологические процессы для очистки сточных вод: септитенк
A.
Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
B.
Оснащен неподвижной биопленкой;
C.
Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
D.
Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
E.
Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
47. Биологические процессы для очистки сточных вод: активный ил
A. Все ответы верны.
B. Образует буро-желтые хлопья;
C. Размер конгломератов 3-150 мкм;
D. Образован колониями микроорганизмов и простейших;
E. Зооглей;
48. Биологические процессы для очистки сточных вод: этапы очистки в биофильтре
A. Контакт с биопленкой – сорбция органических веществ – окисление веществ стоков;
B. Сорбция органических веществ -контакт с биопленкой – окисление веществ стоков;
C. Контакт с биопленкой – окисление веществ стоков -сорбция органических веществ;
D. Контакт с биопленкой – сорбция органических веществ – окисление веществ стоков;
E. Сорбция органических веществ – окисление веществ стоков -контакт с биопленкой;
49. Биологические процессы для очистки сточных вод: трофическая пирамида в
биопленке.
A. Бактерии –хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –хищники –паразиты;
B. Хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –хищники –паразиты -бактерии;
C. Паразиты -бактерии –хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –хищники;
D. Паразиты -хищники -растительноядные -хищные мелкие беспозвоночные -бактерии;
E. Бактерии –хищные мелкие беспозвоночные–хищники –паразиты;
50. Активный ил: функции простейших организмов
A. Потребляют бактерии;
B. Образуют пену;
C. Усиливают помутнение стоков;
D. Снижают концентрацию азота в стоках;
E. Увеличивают концентрацию азота в стоках.
51. Биоутилизация твердых отходов: назовите трудно окисляемые субстраты
A. Лигноцеллюлоза;
B. Лигнин;
C. Меланины;
D. Танины;
E. Все ответы верны.
52.Биоочистка газовоздушных выбросов: функция микроорганизмов
A. Утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород;
B. Утилизируют меланин, танин;
C. Утилизируют органические углеводороды;
D. Образование биогаза;
E. Осуществляют контакт с синтетическими моющими средствами (СМС)
53.Биоочистка газовоздушных выбросов: фильтрующий слой
A. Компост, торф;
B. Образован колониями микроорганизмов и простейших;
C. Микроскопическими животными;
D. Биопленка;
E. Активный ил.
54.Биоочистка газовоздушных выбросов: биоскрубер –рабочее тело
A. Вода, активный ил;
B. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
C. Аэротенк;
D. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
E. Сптитенк.
55.Биоочистка газовоздушных выбросов: биореатор с омываемым слоем –рабочее тело
A. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
B. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
C. Вода, активный ил;
D. Аэротенк;
E. Сптитенк.
56.Биоочистка газовоздушных выбросов: биофильтр –рабочее тело
A. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
B. Вода, активный ил;
C. Аэротенк;
D. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
E. Сптитенк.
A.
B.
C.
D.
E.
57.Биоочистка газовоздушных выбросов:
биоскрубер -основные стадии удаления
примесей из воздуха
Абсорбция в абсорбере водой и деструкция в аэротенке активным илом;
Десорбция материалом фильтрующего слоя и деструкция микробными клетками;
Диффузия через водную пленку к микроорганизмам и деструкция в биологическом слое;
Десорбция материалом фильтрующего слоя и деструкция в биологическом слое;
Диффузия через водную пленку к микроорганизмам деструкция микробными клетками;
58. Отметьте правильный путь принципиальной схемы построения рекомбинантной ДНК.
A.
Рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- введение рекомбинантной плазмиды в
клетку – молекулярное клонирование;
B.
Введение рекомбинантной плазмиды в клетку – молекулярное клонирование рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена;
C.
Введение рекомбинантной плазмиды в клетку- рекомбинация ДНК-вектора и ДНКгена-– молекулярное клонирование;
D.
Молекулярное клонирование -рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- введение
рекомбинантной плазмиды в клетку;
E.
Рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- молекулярное клонирование -введение
рекомбинантной плазмиды в клетку;
59. Транскрипция: поясните термин
A.
Получение РНК комплиментарной матричной ДНК;
B.
Получение рекомбинантной (гибридной) молекулы ДНК;
C.
Синтез белка соответствующий структуре мРНК;
D.
Обмен участками между двумя хромосомами;
E.
Рекомбинация между гомологичными хромосомами.
60. Токсичный белок синтезируемый Bacillus thuringiensis, где клонирован?
A.
Escherichicae coli;
B.
Micrococcaceae;
C.
Bacillaceae;
D.
Metarrisium anisopliae;
E.
Pseudomonadaceae
61. Как называется экологическая группа микроорганизмов участвующая в процессах
преобразования органического субстрата?
A. Деструкторы;
B. Анаэробные бактерии;
C. Метанобразующие бактерии;
D. Архебактерии;
E. Enterobacteriaceae.
62. Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus – факультативные анаэробы для биосорбции металлов,
назовите биологическую группу.
A. железоокисляющие бактерии;
B. денитрофицирующие бактерии;
C. ацидофилы;
D. ацидотермофилы;
E. нитрофицирующие бактерии.
63. Биопестициды - это
A. Химические вещества использующиеся для борьбы с сорняками;
B. Химические вещества использующиеся для борьбы с болезнями;
C. Химические вещества использующиеся для борьбы с вредителями;
D. Химические вещества использующиеся для борьбы с фитофагами;
E. Все ответы верны.
64. В каком году был выделен штамм Bti ученым Берлинером?
A. 1915 г.;
B. 1677 г.;
C. 1954 г.;
D. 1898 г.;
E. 1734 г.
65. Отметьте роль биотехнологии в решении экологических проблем.
A. Все ответы верны.
B. Защита окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и др. отходов;
C. Осуществляет деградацию токсинов, попавших в среду;
D. Создает малоотходные промышленные процессы;
E. Моделирует «контрольные» биологические системы;
66. Биологические процессы для очистки сточных вод: аэробные процессы
A. Микроорганизмы используют для окисления веществ кислород;
B. Микроорганизмы не используют для окисления веществ кислород;
C. Длительный процесс очистки (20 сут.);
D. Образуется энергоноситель - биогаз;
E. Энергозатраты ниже при перемешивании.
67. Какие биологические ассоциации используют для аэробной очистки воды?
A. Метанобразующие бактерии;
B. Микроскопические животные;
C. Молочно-кислые бактерии;
D. Бакуловирусы;
E. Везикулярно-арбускулярная микориза.
68. Биопленка образует слизистые капсулы на поверхности очистных конструкций – назовите их
A. Зооглей;
B. Микроглей;
C. Макроглей;
D. Биоглей;
E. Слизистый чехлик.
69. Биологические процессы для очистки сточных вод: аэротенк
A. Оснащен неподвижной биопленкой;
B. Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
C. Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
D. Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
E. Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
70. Биологические процессы для очистки сточных вод: биофильтры
A. Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
B. Оснащен неподвижной биопленкой;
C. Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
D. Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
E. Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
71. Информативный участок гена – это:
A. экзон
B. промотор;
C. спейсор;
D. оперон;
E. ген регулятор.
72. Участки, разделяющие гены – это:
A. интроны.
B. промотор;
C. экзон.
D. оперон;
E. ген регулятор.
73. Назовите химическое вещество, информация о котором находится под контролем
генов?
A. Белок;
B. Углевод;
C. Липиды;
D. Жирыне кислоты;
E. Все ответы верны.
74. Организмы: эукариоты – организация наследственного материала:
A.
B.
C.
D.
E.
хромосомы,
ДНК
белки.
гены;
хроматиды
75. Современная модель молекулярной организации плазматической мембраны:
A. жидкостно-мозаичная.
B. Трехслойная модель;
C. бислой липидов и моно слой белка;
D. однослойная структура;
E. двуслойный белковый комплекс.
76. В 1839г. клеточная теория была сформулирована:
A. Т.Шванном
B. Ламарком;
C. М.Шлейдоном.
D. Шмальгаузеном;
E. Криком
77. Органеллы: рибосомы -- Функции:
A. синтез белков.
B. передача наследственной информации;
C. синтез АТФ;
D. накопление и хранение продуктов метаболизма;
E. синтез липидов.
78. Органеллы: митохондрии -- Функции:
A. образование АТФ.
B. передача наследственной информации;
C. синтез белков.
D. накопление и хранение продуктов метаболизма;
E. синтез липидов.
78. К прокариотам относятся:
A.
бактерии.
B.
красные водоросли
C.
вирусы;
D.
бурые водоросли;
E.
радиолярии.
79. Молекулярная структура ДНК расшифрована:
A.
Уотсоном и Криком
B.
Т.Шванном
C.
Ламарком;
D.
М.Шлейдоном.
E.
Шмальгаузеном;
80.Молекула ДНК эукариот:
A.
Двойная спираль;
B.
Линейная;
C.
Циклическая молекула;
D.
Одинарная спираль;
E.
Глобулярная структура.
81. ДНК клеток эукариот находится:
A.
в ядре;
B.
эндоплазматическом ретикулюме;
C.
рибосомах;
D.
хлоропластах;
E.
митохондриях.
82. Химические компоненты хроматина эукариотических клеток:
A.
рРНК;
B.
гистоновые белки;
C.
тРНК;
D.
ДНК;
E.
кислые белки.
F.
АТФ.
83. Плазмиды клеток - это небольшие фрагменты:
A.
ДНК.;
B.
тРНК;
C.
мРНК;
D.
АТФ;
E.
рГНК.
84. Упаковки ДНК в хромосоме:
A.
нуклеосомная нить;
B.
микрофибрилла;
C.
в форме глобулы;
D.
хромонема;
E.
хроматида
85. Транскрипцию осуществляет фермент:
A.
РНК-полимераза;
B.
Липаза;
C.
Амилаза;
D.
Трипсин;
E.
ДНК-оксидаза.
86. Оперон содержит:
A.
все ответы верны;
B.
ген-регулятор;
C.
структурные гены;
D.
репрессор;
E.
ген-оператор;
87. Для поддержания исходного количества хромосом в анафазе митоза к полюсам
расходятся:
A.
хроматиды
B.
центриоли;
C.
центромеры;
D.
ядерная оболочка;
E.
веретено деления.
88. Биологическое значение митоза заключается:
A.
в поддержании постоянства кариотипа в соматических клетках
B.
в обеспечении полового процесса;
C.
в осуществлении процессов регенерации и роста;
D.
в обеспечении бесполого размножения;
E.
в изменение кариотипа.
89. Жизненный цикл клетки может:
A.
совпадать с митотическим;
B.
C.
D.
E.
включать митотический цикл;
приводить к завершению развития клетки;
приводить к периоду дифференцировки;
приводить к гибели клетки.
90. Как называется качественная окраска бактерий для идентификации клеточной стенки и
цитоплазмы?
A.
По Граму;
B.
По Сэлтону;
C.
По Миллеру;
D.
По Пирсу;
E.
По Меркулову.
91. Назовите фамилию ученого показавшего различия в степени окрашивания грамположительных и
грамотрицательных бактерий как результат фундаментального различия в структуре клеточных стенок?
A.
по Сэлтону;
B.
по Граму;
C.
по Миллеру;
D.
по Пирсу;
E.
по Меркулову.
92. Эволюционно обусловленные уровни живого:
A.
все ответы верны,
B.
клеточный,
C.
организменный,
D.
популяционно-видовой,
E.
биогеоценотический,
93. Кислород атмосферы представляет из себя
A) биогенное вещество
B) живое вещество.
C) косное вещество.
D) биокосное вещество.
E) все ответы верны
94. Единственным абсолютным критерием вида можно считать
A) все ответы верны
B) морфологический.
C) генетический.
D) эколого-географический.
E) ни один из ответов не верен.
95. Дивергенцией называется
A) расхождение признаков в эволюционном процессе.
B) схождение признаков в эволюционном процессе.
C) взаимопроникновение ареалов двух видов.
D) происхождение нового вида от скрещивания двух или более видов.
E) все ответы верны
96. Агроценоз (искусственная экосистема) отличается от естественной экосистемы
A) верны все ответы
B) преобладанием искусственного отбора над естественным.
C) меньшим количеством популяций.
D) постоянной потерей значительной части химических элементов.
E) все ответы не верны.
97. Онтогенезом называется
A) развитие организма от зиготы до смерти
B) историческое развитие вида.
C) развитие организма от зиготы до рождения.
D) процесс формирования популяции из разрозненных особей.
E) все ответы верны
98. Впервые кислород в атмосферу Земли начали выделять
A) бактерии.
B) грибы.
C) водоросли.
D) вирусы.
E) все ответы верны
99. Наибольшую биомассу в биоценозе луга имеют
A) зеленые растения.
B) травоядные животные.
C) плотоядные животные.
D) бактерии гниения.
E) хищники.
100. Сколько содержит нуклеотидов в кодирующей части гена, если по нему
синтезируется белок, состоящий из 30 аминокислот?
A) 90.
B) 400.
C) 500.
D) 1000.
E) 2000.
101. Сколько аминокислот содержит белок, если кодирующая часть соответствующего
ему гена состоит из 300 нуклеотидов?
A) 100.
B) 10000.
C) 10000.
D) 500.
E) 300.
102. Как называются аллельные гены в хромосоме?
B) гомологичные.
C) непарные.
D) соматические.
E) негомологичные.
F) половые.
103. Аллельные гены, где расположены?
A) в гомологичных хромосомах.
B) в одной аутосоме и первой хромосоме.
C) в разных парах хромосом.
D) в половых хромосомах.
E) в непарных хромосомах.
104. Основной фактор в процессе микроэволюции?
A) Географическая изоляция.
B) Расширение ареала.
C) Изменение климатических условий.
D) Конкурентные отношения между особями в популяции.
E) Природные катаклизмы.
105. Какую роль в клетке играют липиды?
A) Энергетическую.
B) Каталитическую.
C) Входят в состав клеточного центра.
D) Сигнальную.
E) Все ответы верны
106. В каком случае у особи не проявляется доминантная мутация?
A) В гомозиготном организме по доминантному признаку.
B) Оба родителя с доминантными признаками.
C) В гетерозиготном организме.
D) В гомозиготном по рецессивному признаку
E) Никогда не проявляется.
107.По набору генов и хромосом соматическая клетка соответствует.
A) Зиготе.
B) Гамете.
C) Клетке эндосперма.
D) Яйцеклетке.
E) Сперматозоиду.
108.Какую роль в клетке играет фосфорная кислота?
A) Входит в состав аминокислот.
B) Входит в состав нуклеотидов
C) Входит в состав углеводов.
D) Компонент рибосом.
E) Входит в состав липидов.
109.Какова роль углеводов в клетке?
A) Энергетическая.
B) Регуляторная.
C) Транспортная.
D) Информационная.
E) Защитная.
110. Назовите отличие хромосомного набора самца от хромосомного набора самки
позвоночных?
A) Две пары хромосом различны, а все другие одинаковы.
B) Все хромосомы имеют разную морфологию (внешний вид).
C) Одна пара хромосом различна, а все другие одинаковые.
D) Хромосомные наборы одинаковы.
E) Разное число наборов хромосом.
111. Какую долю (%), в среднем, составляет в клетке вода?
A) 80%
B) 20%
C) 1%
D) не содержит.
E) 5%
112. Какое соединение не входит в состав нуклеотидов ДНК?
A) Жирная кислота.
B) Дезоксирибоза.
C) Фосфорная кислота.
D) Аденин.
E) Цитозин.
113.
A)
B)
C)
D)
E)
На каком этапе энергетического обмена полисахариды
моносахоридов?
На подготовительном этапе.
На бескислородном этапе
На кислородном этапе.
На четвертом этапе.
На подготовительном и бескислородном этапах одновременно.
расщепляются
114. В каких органоидах животной клетки синтезируется АТФ?
A) в митохондриях.
B) в пластидах.
C) в лизосомах.
D) в рибосомах.
E) в мембране.
115.Какая часть молекулы является общей для всех аминокислот?
A) аминогруппа.
B) радикал и аминогруппа.
C) аминогруппа и карбоксильная группа.
D) радикал.
E) радикал и карбоксильная группа.
116. В чем заключается практическое значение исследования причин мутаций?
A) создание исходного материала для селекции.
B) вообще обнаружение такого явления.
C) не имеет практического значения.
D) для регуляции роста.
E) управление оминированием.
117.Какой набор хромосом образуется при митотическом делении диплоидного ядра?
A) Гаплоидный.
B) Триплоидный.
C) Диплоидный.
D) Тетраплоидный.
E) Гексаплоидный.
118.Какую долю (%) в среднем составляют в клетке неорганические вещества?
A) 20%
B) 80%
C) 1%
D) не содержатся.
E) 5%
119. Какая функция характерна для нуклеиновых кислот?
A) Информационная.
B) Каталитическая.
C) Строительная.
D) Защитная.
E) Энергетическая.
120.Какой набор хромосом образуется при мейотическом делении диплоидного ядра?
до
A)
B)
C)
D)
E)
Гаплоидный.
Триплоидный.
Диплоидный.
Тетрплоидный.
Пентоплоидный.
121.Какое из приведенных утверждений, касающихся молекул ДНК, неверно?
A) ДНК состоит из одного нуклеотида.
B) ДНК –это двуцепочная спираль.
C) В состав ДНК входит дезоксирибоза.
D) В состав ДНК входит фосфорная кислота.
E) В состав ДНК входит тимин.
122.Где осуществляется процесс фотосинтеза?
A) В клетках автотрофных организмов;
B) В клетках гетеротрофных организмов;
C) В без хлорофилсодержащих органеллах;
D) В коневой части высших растений.
E) Все ответы верны
123.Роль АТФ:
A) Участвует в обмене энергии клетки;
B) Структурная единица клетки;
C) Орган движения клетки;
D) Участвует в процессе пищеварения.
E) Все ответы верны.
124.Совокупность всех организмов и растений, обитающих в данной местности и
зависящих друг от друга в различных отношениях, и окружающей эти организмы
физической и химической среды называютA) Экосистемой.
B) Биосферой;
C) Экосферой;
D) Популяцией;
E) Все ответы верны.
125.К первичным консументам относятся:
A) Сосна.
B) Мышь;
C) Тигр;
D) Сазан;
E) Все ответы не верны.
126.Вторичными консументами являются:
A) овца;
B) дафния;
C) клевер;
D) волк.
E) все ответы не верны.
127.Что послужило источником ископаемого топлива?
A) Зеленые растения
B)
C)
D)
E)
Солнечная энергия;
Космические тела;
Деятельность первобытных людей.
Все ответы верны.
128.Какие характерные изменения происходят по мере повышения трофического уровня?
A) На высших трофических уровнях количество энергии невелико;
B) На высших трофических уровнях количество энергии велико;
C) На высших трофических уровнях количество энергии неисчерпаемо;
D) На высших трофических уровнях количество энергии беспредельно.
E) Все ответы не верны.
129.Какую роль в клетке играет фосфорная кислота?
A.
Входит в состав нуклеотидов.
B.
Входит в состав аминокислот.
C.
Входит в состав углеводов.
D.
Компонент рибосом.
E.
Входит в состав липидов.
130.Какова роль углеводов в клетке?
A.
энергетическая.
B.
информационная.
C.
регуляторная.
D.
транспортная.
E.
защитная.
131.Какую долю (%), в среднем, составляет в клетке вода?
A.
80%
B.
20%
C.
1%
D.
не содержит.
E.
5%
132.Какое соединение не входит в состав нуклеотидов ДНК?
A.
Жирная кислота.
B.
Фосфорная кислота.
C.
Дезоксирибоза.
D.
Аденин.
E.
Цитозин.
133.На каком этапе энергетического обмена полиуглеводы расщепляются
моносахоридов?
A.
На подготовительном этапе.
B.
На бескислородном этапе
C.
На кислородном этапе.
D.
На четвертом этапе.
E.
На подготовительном и бескислородном этапах одновременно.
134. К микроорганизмам с прокариотным типом организации клетки относятся:
A) все ответы верны
B) амеба
C) Fungi imperfecti
D) дрожжеподобные грибы p. Candida
до
E) плесневые грибы
135. Извитыми формами микроорганизмов являются:
A) Leptospira interrogans
B) Brucella
C) Pasterella
D) Bordetella pertussis
E) Schigella sonnei
136. Кокковыми формами микроорганизмов являются:
A) Neisseria meningitidis
B) Campylobacter fetus
C) Bacteroides fragilis
D) Treponema pallidum
E) Proteus vulgaris
137. К грамотрицательным бактериям относятся:
A) псевдомонады
B) коринебактерии
C) бациллы
D) вирусы
E) грибы
138. К облигатным анаэробам относятся:
A) энтеробактерии
B) грибы
C) бифидобактерии
D) нейссерии
E) вирусы
139. Природными продуцентами антибиотиков являются:
A) грибы
B) стафилококки
C) вирусы
D) вибрионы
E) энтеробактерии
140. Schigella flexneri вызывает заболевание:
A) дизентерию
B) возвратный тиф
C) туляремию
D) чуму
E) сифилис
141. При каком заболевании источником инфекции является человек?
A) сифилис
B) легионеллез
C) бруцеллез
D) аписторхоз
E) все ответы верны
142. Основным фактором патогенности Salmonella typhi является:
A) эндотоксин
B) энтеротоксин
C) гистотоксин
D) тетанолизин
E) клеточная мембрана
143. Энтеротоксин продуцируется:
A) Clostridium tetani
B) Corynebacterium diphtheriae
C) Salmonella typhi
D) Vibrio cholerae
E) Virus
144. Какой тип нуклеиновой кислоты в составе вириона у вируса гриппа?
A) (+) РНК
B) (-) РНК
C) димер идентичных РНК
D) двухцепочечная ДНК
E) нет в составе нуклеиновой кислоты
145. Объекты экологической биотехнологии:
A) все ответы верны
B) бактерии и вирусы
C) грибы
D) водоросли
E) микроскопические животные
146. В каком году была опубликована книга «Тайны природы, открытые Антуаном
Левенгуком» ?
A) 1695
B) 1855
C) 1904
D) 1796
E) 1707
147. Назовите основные научные достижения Л. Пастера:
A) все ответы верны
B) причин возникновения инфекционных болезней животных и человека
C) доказательство невозможности самопроизвольного зарождения организмов
D) обнаружение разных типов жизни среди микроорганизмов (аэробы и анаэробы)
E) открытие природы процессов брожения
148. Назовите основные научные разработки Р. Коха:
A) выделил возбудителя туберкулеза
B) методика получения чистых культур микроорганизмов
C) разработаны методы для уничтожения заразных микробов
D) ввел в практику метод окрашивания микробов анилиновыми красителями
E) все ответы верны
149. Работы С. Н. Виноградского:
A) все ответы верны
B) открытие им нового типа жизни - хемолитоавтотрофных микроорганизмов
C) объяснил явление хемосинтеза
D) предложил использовать для культивирования микроорганизмов элективные среды
E) микроэкологический принцип в исследование почвенных микроорганизмов
150. Работы Ивановского Д. И.:
A) открыл и изучил вирус мозаичной болезни листьев табака
B) объяснил явления хемиосинтеза
C) описал большое количество новых видов протистов
D) приготовил вакцину против сибирской язвы
E) установил антагонизм между гнилостными и молочнокислыми бактериями
151. Кто открыл механизм фиксации азота атмосферы азотофиксирующими бактериями,
живущими в почве?
A) Ценковский Л. С.
B) Мечников И. И.
C) Омельянский В. Л.
D) Виноградский С. Н.
E) Ивановский Д. И.
152. По внешним признакам бактерии шаровидной формы называются:
A) кокки
B) сарцины
C) стрептобактерии
D) бациллы
E) спирохеты
153. По внешним признакам бактерии палочковидной формы называются:
A) бациллы
B) сарцины
C) стрептобактерии
D) кокки
E) спирохеты
154. По внешним признакам бактерии извитой формы называются:
A) спирохеты
B) сарцины
C) стрептобактерии
D) кокки
E) бациллы
155. Как называются группы кокков, соединенные в виде тюков?
A) сарцины
B) бациллы
C) стрептобактерии
D) кокки
E) спирохеты
156. Как называется беспорядочные скопления кокков, напоминающие виноградные
гроздья?
A) стафилококки
B) бациллы
C) стрептобактерии
D) кокки
E) спирохеты
157. Что называют диплококками?
A) кокки собранные попарно
B) парное соединение палочек
C) очень мелкие палочки
D) палочки, соединенные в цепочку
E) палочки с большим количеством завитков
158. Назовите основные извитые формы бактерий:
A) вибрионы
B) кокки
C) сорцины
D) микобактерии
E) стрептобациллы
159. Размеры микроорганизмов. Чему равен диаметр шаровидной бактерии?
A) 0,5 - 1 мкм
B) 1 - 4 мкм
C) 1 - 2 мкм
D) 50 мкм
E) 0,4 - 0,6 мкм
160. Чему равна длина цилиндрических бактерий?
A) 1 - 2 мкм
B) 1 - 4 мкм
C) 0,5 - 1 мкм
D) 50 мкм
E) 0,4 - 0,6 мкм
161. Назовите основные компоненты бактериальной клетки:
A) мезосомы
B) эндоплазматический ретикулюм
C) ядрышко
D) аппарат Гольджи
E) ядро
162. Какие включения не обнаруживаются в протоплазме бактериальной клетки?
A) гликоген
B) гранулеза
C) жир
D) гормоны
E) железо
163. Назовите признаки, не характеризующие протоплазму бактериальной клетки:
A) бесцветна
B) гомогенна
C) коллоидная система
D) химический состав представлен белками, жирами, нуклеиновыми кислотами и т.д.
E) содержит систему сетей и трубочек
164. Как называются органоиды, способные к высоким окислительно-восстановительным
реакциям?
A) митохондрии
B) мезосомы
C) рибосомы
D) ядро
E) нуклеосома
165. Чем представлено ядро бактериальной клетки?
A) нуклеотидом
B) цитоплазматической мембраной
C) фибриллярной структурой
D) дезоксирибонуклеиновой кислотой
E) аденозинтрифосфорной кислотой
166. Назовите компоненты не входящие в химическую организацию бактериальной
стенки:
A) гормоны
B) липоиды
C) аминокислоты
D) полисахариды
E) гликополисахариды
167. Как называется наружная оболочка у всех видов бактерий?
A) стенка
B) мембрана
C) капсула
D) перегородка
E) граница
168. Как называется скопление микробов, заключенных в общую капсулу?
A) мезоглией
B) зооглеей
C) эндоглеей
D) эктоглеей
E) сорциной
169. Назовите физико-химические свойства не характерные для спор бактериальных
клеток:
A) Не способны к высушиванию
B) устойчивы к высоким температурам
C) устойчивы к дезинфицирующим веществам
D) резистентны к ультрафиолетовому облучению
E) устойчивы к ионизирующему воздействию
170. Как структурно организованы споры бактерий?
A) внешняя оболочка представлена энзиной
B) внутренняя оболочка представлена полигликаном
C) средняя часть представлена цитоплазмой, ядром и включениями
D) внутренняя оболочка высокоферментативно активна
E) цитоплазма содержит большое количество органоидов
171. По характеру расположения жгутиков и числу их принято различать:
A) монотрихи
B) лохотрихи
C) поритрихи
D) ломотрихи
E) лифотрихи
172. Как называю бактерии с одним жгутиком?
A) монотрихи
B) лохотрихи
C) перитрихи
D) ломотрихи
E) лофотрихи
173. Как называют бактерии с несколькими жгутиками, расположенными на одном из
концов клетки?
A) лофотрихи
B) лохотрихи
C) монотрихи
D) ломотрихи
E) перитрихи
174. Органеллы: Гладкая ЭПС -- Функции:
A.
B.
C.
D.
E.
синтез углеводов и жиров.
Передача наследственной информации;
синтез белков.
образование АТФ.
Накопление и хранение продуктов метаболизма;
175. Дайте определение понятию - «сточные воды».
A.
все ответ верны;
B.
стоки с разнообразными органическими и неорганическими загрязнениями;
C.
стоки с разнообразными токсическими соединениями;
D.
стоки промышленных предприятий;
E.
все ответы ошибочны.
176.От чего зависит рН, прозрачность и цветность сточной воды?
1.
зависит от содержания растворенного кислорода;
2.
зависит от количественных объемов сточных вод;
3.
зависит от метода очистки сточных вод;
4.
все ответ верны;
5.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
177.
Приведите пример отрицательного влияния сточных вод на естественные
водоемы экосистемы.
все ответ верны;
наблюдаются изменения в компонентном составе естественных водоемов;
наблюдается снижение продуктивности естественных водоемов;
прекращается способность водоемов к самоочищению;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
178.
Каково назначение документа «Правила охраны поверхностных вод от
загрязнений сточными водами»?
документ позволяет нормировать показатели загрязнения в естественном водоеме;
документ регламентирует правила санитарного состояния сточных вод;
документ указывает метрологические параметры для очистки сточных вод;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
179.
Объясните необходимость учета концентрации загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами?
A.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень предельно
допустимых концентраций ядовитых веществ;
B.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень биохимическое
потребление кислорода;
C.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень химическое
потребление кислорода;
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
180.
Объясните, в чем разница между БПК и ХПК?
все ответы верны;
разница в средних значениях количественных показателей;
разница в методе определения потребленного кислорода в сточных водах;
разница в прогностической значимости рассматриваемых методов;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
181.
Как называется показатель позволяющий определить количество кислорода
в водоеме, расходуемое в процессе биохимического потребления кислорода?
ХПК;
БПК;
ПДК;
СРС;
ОБХС.
182.
Обоснуйте необходимость учитывать метод очистки сточных вод?
A.
все ответы верны;
B.
метод очистки сточных вод зависит от планов дальнейшего ее использования;
C.
метод очистки сточных вод зависит от уровня химического загрязнения;
D.
метод очистки сточных вод зависит от концентрации ядовитых и токсических
веществ;
E.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
183.
Приведите пример механической очистки сточных вод.
фильтрация;
экстракция;
синтез;
выпаривание;
сублимация.
A.
184.
Приведите пример биологической очистки сточных вод.
создание микробиологических консорциумов;
B.
C.
D.
E.
A.
B.
C.
D.
E.
фильтрация;
выпаривание;
культивирование;
экстракция.
185.
Приведите пример третей ступени очистки сточных вод.
ультрафильтрация;
микроскопия;
экстракция;
сушка;
все ответы верны.
186.
Укажите принципиальные различия между биологическим и химическим
методом очистки сточных вод.
A.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании живых консорциумов;
B.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных концентрациях реактивов;
C.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании ультрафиолетового излучения;
D.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных значениях физических параметров;
E.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
эксплуатации энергосберегающих технологиях.
A.
B.
C.
D.
E.
187.
Приведите пример факторов, от которых зависит очистка сточных вод.
все ответы верны.
рН сточных вод;
микробиологический уровень загрязнения сточных вод;
химический состав сточных вод;
географическое расположение водоема со сточными водами
A.
B.
C.
D.
E.
188.
Приведите примеры типов сооружений для очистки сточных вод.
локальные, общие, районные;
общие, частные, единичные;
малые, средние, большие;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
189.
Объясните, чем представлена локальная очистная система сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков непосредственно после
технологических процессов;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими
методами;
C.
очистная система состоит из нескольких ступеней очистки;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
A.
190.
Объясните, чем представлены общие очистные сооружения сточных вод?
все ответы верны;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков на третьей ступенидоочистку;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
E.
все ответы ошибочны.
191.
Объясните, чем представлена биологическая очистная система сточных вод?
A.
очистная система использует способность микроорганизмов использовать в
качестве ростовых субстратов различные химические соединения;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими
методами;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков состоит из нескольких
ступеней очистки;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени –
механическим методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени –
биологическим методом.
192.
Дайте обоснование достоинств биологического метода очистки сточных вод.
A.
для биологического метода очистки сточных вод используют простое аппаратурное
оформление и протекания процесса;
B.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только фенольные
соединения;
C.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только органические
соединения;
D.
биологический метод очистки сточных вод не требует больших финансовых затрат;
E.
биологический метод очистки сточных вод имеет очень высокие эксплуатационные
расходы.
193.
Дайте характеристику аэробному процессу биологической очистки сточных
вод;
A.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для
биообъектов доступ к свободному кислороду;
B.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
C.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов кислород;
D.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
194.
Дайте характеристику анаэробному процессу биологической очистки
сточных вод;
A.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для
биообъектов доступ к свободному кислороду;
C.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно
использование биомассой акцептора электронов кислород;
D.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
195.
Дайте определение понятию ксенобиотики.
A.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители,
лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы
углерода, азота, серы или фосфора
B.
естественным путем возникшие микробные популяции, которые, могут
сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта
C.
внехромосомные генетические элементы
D.
очень устойчивые соединения, долго присутствующие в окружающей среде в
результате прочной адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой
миграции
E.
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть.
A.
B.
C.
D.
E.
196.
Перечислите виды загрязнений окружающей среды группы ксенобиотиков
дихлордифенилтрихлорэтан
нефть
ионы тяжелых металлов
гептил
угарный газ
197.
Дайте определение понятию антибиотики.
A.
органические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие
способностью убивать микробы
B.
растения с выраженными антимикробными свойствами
C.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, химические удобрения)
D.
высокомолекулярные природные соединения (белки, нуклеиновые кислоты и.т.д)
E.
все ответы ошибочны.
198.
Пользуясь схемой, определите максимальные значения коэффициента
увеличения концентрации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) в различных
группах живых организмов
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
A.
B.
108
100
100

106

108
C.
D.
E.
1010
106
1012
F.
G.
H.
I.
J.
199.
Приведите пример живых организмов которые подвергают полной
деградации ксенобиотики, то есть минерализуют их до диоксида углерода, воды,
аммиака, сульфатов и фосфатов.
микроорганизмы
водоросли
грибы и водоросли
коловратки и круглые черви
нематоды и микроорганизмы
a.
b.
c.
d.
e.
200.
От чего зависит поведение ксенобиотика в природе
все ответы верны
структуры самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробного пейзажа
F.
G.
H.
I.
J.
201.
Перечислите факторы в совокупности определяющие скорость и глубину
трансформации ксенобиотика.
структура самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробный пейзаж
все ответы верны
a.
b.
c.
d.
e.
202.
В чем заключается сущность биологической деградации ксенобиотиков
полная минерализация, разрушение и детоксикация
измельчение субстрата, перемешивание с биомассой, брожение
концентрирование, детоксикация, утилизация
брожение, детоксикация, минерализация
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
203.
Укажите принципиальные различия между путями для борьбы с
загрязнением
биосферы
ксенобиотиками
и
загрязнением
гидросферы
ксенобиотиками
все ответы верны
сбор ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
детоксикация ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
трансформация ксенобиотиков попавших в среду
удаление ксенобиотиков, попавших в среду
204.
Каковы существенные различия деградации ксенобиотиков в почве от
деградации ксенобиотиков биосфере
A.
выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и
далее среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации
B.
сбор ксенобиотиков и далее среди них вести селекцию на увеличение скорости
деградации
C.
детоксикация ксенобиотиков
D.
трансформация ксенобиотиков
E.
удаление ксенобиотиков
205.
В чем заключается сущность селективной работы с микроорганизмами
деградирующими ксенобиотики?
A.
отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов
B.
отбор физиологических мутантов, отбором на генную рекомбинацию и на основе
механизма переноса плазмид
C.
отбором биохимических мутантов, транформация с получением генной дупликации
D.
отбором генетических мутантов, и основе механизма кроссинговера генов
E.
все ответы верны
206. Составьте перечень предприятий оказывающих основной вклад в загрязнения
атмосферы планеты Земля
A.
нефтеперерабатывающая и химическая промышленность
B.
машиностроение и строительство
C.
радиотехника и электронная промышленность
D.
кораблестроительство и судопроизводство
E.
здравоохранение и образование
207. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют органическую природу?
A.
ароматические и непредельные углеводороды
B.
хлороводород, галагены
C.
окись углерода и аммиак
D.
сернистый газ и сероуглерод
E.
окись углерода
208. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют неорганическую природу?
A.
хлороводород, галагены
B.
этанол и фенол
C.
ароматические и непредельные углеводороды
D.
ацетон и толуол
E.
хлороформ и ксилол
209. Каковы существенные особенности биологических очистных сооружений воздуха:
биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем
A.
основным элементом очистного аппарата, как и водоочистного биофильтра, является
фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества. Далее эти вещества в
растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и
подвергаются деструкции.
B.
в данных аппаратах в первичном тенке, входящем в состав установки,
поступающие стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или
механического перемешивания
C.
главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих
веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение
дополнительного ценного продукта – биогаза.
D.
Очистные сооружения технологически связаны с вторичными отстойниками, в
которых происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники
выполняют также функцию контактных резервуаров
E.
все ответы верны
Классификация установок биологической очистки воздуха
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
Основная
стадия Источник
установк
режим
удаления примесей минеральных
и
из воздуха
солей
Биофильт Фильтрующий слой – Циркуляция
1.Десорбция мате- Материал
р
иммобилизованные воды
риалом
фильтрующего
на
природных отсутствует
фильтрующего
слоя
носителях микробные
слоя.
клетки
2.Деструкция
микробными
клетками.
Биоскруб Вода, активный ил
Циркуляция
1. Абсорбция в Минеральные
бер
воды
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
1. Диффузия через Минеральные
ор
с на
искусственных воды
водную пленку к соли вносят
омываем носителях микробные
микроорганизмам. воду
ым слоем клетки
2. Деструкция в
биологическом
слое.
в
в
210. Пользуясь таблицей определите, какую функцию в очистной система воздуха
выполняет «рабочее тело»?
A.
иммобилизованные микроорганизмы
B.
тип аэрации
C.
нагрузка по органическому веществу на ил
D.
качество выходного протока
E.
дезинфицирующий отстойник
211. Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие:
A.
воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в
биоскруббере до относительной влажности в 95–100 %
B.
тщательная предварительная очистка воздуха от взвешенных частиц, способных
засорить распределительное устройство
C.
обеспечение практически горизонтального распределения потока воздуха в слое
носителя
D.
обеспечение при высоких значениях загрязнений удельной поверхности
фильтрующего слоя
E.
биофильтры способны функционировать при отрицательных внешних
температурах.
212. Каковы существенные особенности функционирования биоскрубберов?
A.
все ответы верны.
B.
процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках
C.
применяют различные типы абсорберов
D.
в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости
E.
на второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется
213. Приведите пример основных требований,
биологической очистки газов
A.
все ответы верны
B.
простота в эксплуатации
C.
эксплуатационная надежность конструкции
D.
высокой удельной производительности
E.
высокой степени очистки
предъявляемых
к
установкам
214. Каковы существенные отличия биоскруббера по сравнению с биофильтрами?
A.
занимают меньшую площадь
B.
занимают большую площадь
C.
эксплуатационные затраты ниже
D.
очистка эффективнее при наличии в воздухе плохо растворимых токсических
веществ
E.
производительность ниже, эффективность выше.
215. Пользуясь таблицей определите, какая из представленных установок наиболее
энергоемкая?
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, давле- воды, расход воды
м3
ч–1
%
ния, л/сут.
в сутки
2
Н/м
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
A.
B.
C.
D.
E.
Биоскруббер
Биофильтр с компостом
Биофильтр с волокнистым торфом
Биореактор с омываваемым слоем
Все представленные конструкции энергоемкие.
216. Биологический метод очистки сточных вод: поясните формулировкой
A.
Способность микроорганизмов использовать различные соединения сточных вод,
как субстрат;
B.
Возможность живых организмов накапливать в организме различные соединения
из сточных вод;
C.
Очистка сточных вод на основе фильтрации на уровне живых систем;
D.
Использование технических очистных сооружений управляемых человеком;
E.
Сточные воды пропускают через систему фильтров с химическим компонентом.
217. Биологические процессы для очистки сточных вод: принцип действия аэробных
процессов
A.
Метод проточного культивирования;
B.
Самоочищение;
C.
Природные очистительные сооружения;
D.
Контактный анаэробный процесс;
E.
Использование для очистки биореактора –септитенка.
218. Как называется биологическая ассоциация для очистки сточных вод?
A.
Биопленка;
B.
Биощит;
C.
Биоочиститель;
D.
Биофильтр;
E.
Биослой.
219. Биологические процессы для очистки сточных вод: капельный биофильтр
A.
Оснащен неподвижной биопленкой;
B.
Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
C.
Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
D.
Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
E.
Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
220. Биологические процессы для очистки сточных вод: септитенк
A.
Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
B.
Оснащен неподвижной биопленкой;
C.
Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
D.
Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
E.
Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
221. Биологические процессы для очистки сточных вод: активный ил
A. Все ответы верны.
B. Образует буро-желтые хлопья;
C. Размер конгломератов 3-150 мкм;
D. Образован колониями микроорганизмов и простейших;
E. Зооглей;
222. Биологические процессы для очистки сточных вод: этапы очистки в биофильтре
A. Контакт с биопленкой – сорбция органических веществ – окисление веществ стоков;
B. Сорбция органических веществ -контакт с биопленкой – окисление веществ стоков;
C. Контакт с биопленкой – окисление веществ стоков -сорбция органических веществ;
D. Контакт с биопленкой – сорбция органических веществ – окисление веществ стоков;
E. Сорбция органических веществ – окисление веществ стоков -контакт с биопленкой;
223. Биологические процессы для очистки сточных вод: трофическая пирамида в
биопленке.
A.
Бактерии –хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –хищники –
паразиты;
B.
Хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –хищники –паразиты бактерии;
C.
Паразиты -бактерии –хищные мелкие беспозвоночные –растительноядные –
хищники;
D.
Паразиты -хищники -растительноядные -хищные мелкие беспозвоночные бактерии;
E.
Бактерии –хищные мелкие беспозвоночные–хищники –паразиты;
224. Активный ил: функции простейших организмов
A. Потребляют бактерии;
B. Образуют пену;
C. Усиливают помутнение стоков;
D. Снижают концентрацию азота в стоках;
E. Увеличивают концентрацию азота в стоках.
225. Биоутилизация твердых отходов: назовите трудно окисляемые субстраты
A.
Лигноцеллюлоза;
B.
Лигнин;
C.
Меланины;
D.
Танины;
E.
Все ответы верны.
226. Биоочистка газовоздушных выбросов: функция микроорганизмов
A. Утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород;
B. Утилизируют меланин, танин;
C. Утилизируют органические углеводороды;
D. Образование биогаза;
E. Осуществляют контакт с синтетическими моющими средствами (СМС)
227. Биоочистка газовоздушных выбросов: фильтрующий слой
A. Компост, торф;
B. Образован колониями микроорганизмов и простейших;
C. Микроскопическими животными;
D. Биопленка;
E. Активный ил.
228. Биоочистка газовоздушных выбросов: биоскрубер –рабочее тело
A. Вода, активный ил;
B. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
C. Аэротенк;
D. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
E. Сптитенк.
229. Биоочистка газовоздушных выбросов: биореатор с омываемым слоем –рабочее тело
A. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
B. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
C. Вода, активный ил;
D. Аэротенк;
E. Сптитенк.
230. Биоочистка газовоздушных выбросов: биофильтр –рабочее тело
A. Фильтрующий слой- иммобилизованные на природном носителе микробные клетки;
B. Вода, активный ил;
C. Аэротенк;
D. Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки;
E. Сптитенк.
231. Биоочистка газовоздушных выбросов: биоскрубер -основные стадии удаления
примесей из воздуха
A. Абсорбция в абсорбере водой и деструкция в аэротенке активным илом;
B. Десорбция материалом фильтрующего слоя и деструкция микробными клетками;
C. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам и деструкция в биологическом
слое;
D. Десорбция материалом фильтрующего слоя и деструкция в биологическом слое;
E. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам деструкция микробными
клетками;
232. Отметьте правильный путь принципиальной схемы построения рекомбинантной
ДНК.
A. Рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- введение рекомбинантной плазмиды в
клетку – молекулярное клонирование;
B. Введение рекомбинантной плазмиды в клетку – молекулярное клонирование рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена;
C. Введение рекомбинантной плазмиды в клетку- рекомбинация ДНК-вектора и ДНКгена-– молекулярное клонирование;
D. Молекулярное клонирование -рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- введение
рекомбинантной плазмиды в клетку;
E. Рекомбинация ДНК-вектора и ДНК-гена- молекулярное клонирование -введение
рекомбинантной плазмиды в клетку;
233. Транскрипция: поясните термин
A.
Получение РНК комплиментарной матричной ДНК;
B.
Получение рекомбинантной (гибридной) молекулы ДНК;
C.
Синтез белка соответствующий структуре мРНК;
D.
Обмен участками между двумя хромосомами;
E.
Рекомбинация между гомологичными хромосомами.
234. Токсичный белок синтезируемый Bacillus thuringiensis, где клонирован?
A.
Escherichicae coli;
B.
Micrococcaceae;
C.
Bacillaceae;
D.
Metarrisium anisopliae;
E.
Pseudomonadaceae
235. Как называется экологическая группа микроорганизмов участвующая в процессах
преобразования органического субстрата?
A.
Деструкторы;
B.
Анаэробные бактерии;
C.
Метанобразующие бактерии;
D.
Архебактерии;
E.
Enterobacteriaceae.
236. Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus – факультативные анаэробы для биосорбции
металлов, назовите биологическую группу.
A.
железоокисляющие бактерии;
B.
денитрофицирующие бактерии;
C.
D.
E.
ацидофилы;
ацидотермофилы;
нитрофицирующие бактерии.
237. Биопестициды - это
A.
Химические вещества использующиеся для борьбы с сорняками;
B.
Химические вещества использующиеся для борьбы с вредителями;
C.
Химические вещества использующиеся для борьбы с болезнями;
D.
Химические вещества использующиеся для борьбы с фитофагами;
E.
Все ответы верны.
238. В каком году был выделен штамм Bti ученым Берлинером?
A.
1915 г.;
B.
1677 г.;
C.
1954 г.;
D.
1898 г.;
E.
1734 г.
239. Отметьте роль биотехнологии в решении экологических проблем.
A. Все ответы верны.
B. Защита окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и др. отходов;
C. Осуществляет деградацию токсинов, попавших в среду;
D. Создает малоотходные промышленные процессы;
E. Моделирует «контрольные» биологические системы;
240. Биологические процессы для очистки сточных вод: аэробные процессы
A. Микроорганизмы используют для окисления веществ кислород;
B. Микроорганизмы не используют для окисления веществ кислород;
C. Длительный процесс очистки (20 сут.);
D. Образуется энергоноситель - биогаз;
E. Энергозатраты ниже при перемешивании.
241. Какие биологические ассоциации используют для аэробной очистки воды?
A. Микроскопические животные;
B. Молочно-кислые бактерии;
C. Метанобразующие бактерии;
D. Бакуловирусы;
E. Везикулярно-арбускулярная микориза.
242. Биопленка образует слизистые капсулы на поверхности очистных конструкций –
назовите их
A. Зооглей;
B. Микроглей;
C. Макроглей;
D. Биоглей;
E. Слизистый чехлик.
243. Биологические процессы для очистки сточных вод: аэротенк
F. Оснащен неподвижной биопленкой;
G. Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
H. Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
I. Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
J. Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
244. Биологические процессы для очистки сточных вод: биофильтры
A. Круглое сооружение со сплошными стенками и двойным дном;
B. Оснащен неподвижной биопленкой;
C. Железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения;
D. Отстойник, где ил подвергается анаэробной деградации;
E. Отходы размещены по отсекам, реактор периодического действия.
245. Информативный участок гена – это:
A. экзон
B. промотор;
C. спейсор;
D. оперон;
E. ген регулятор.
246. Участки, разделяющие гены – это:
A. интроны.
B. промотор;
C. экзон.
D. оперон;
E. ген регулятор.
247. Назовите химическое вещество, информация о котором находится под контролем
генов?
A. Белок;
B. Углевод;
C. Липиды;
D. Жирыне кислоты;
E. Все ответы верны.
248. Организмы: эукариоты – организация наследственного материала:
A. хромосомы,
B. ДНК
C. белки.
D. гены;
E. хроматиды
249. Современная модель молекулярной организации плазматической мембраны:
A. жидкостно-мозаичная.
B. Трехслойная модель;
C. бислой липидов и моно слой белка;
D. однослойная структура;
E. двуслойный белковый комплекс.
250. В 1839г. клеточная теория была сформулирована:
A. Т.Шванном
B. Ламарком;
C. М.Шлейдоном.
D. Шмальгаузеном;
E. Криком
251. Органеллы: рибосомы -- Функции:
A. синтез белков.
B. передача наследственной информации;
C. синтез АТФ;
D. накопление и хранение продуктов метаболизма;
E. синтез липидов.
252. Органеллы: митохондрии -- Функции:
A.
образование АТФ.
B.
передача наследственной информации;
C.
синтез белков.
D.
накопление и хранение продуктов метаболизма;
E.
синтез липидов.
253. К прокариотам относятся:
A.
бактерии.
B.
красные водоросли
C.
вирусы;
D.
бурые водоросли;
E.
радиолярии.
254. Молекулярная структура ДНК расшифрована:
A.
Уотсоном и Криком
B.
Т.Шванном
C.
Ламарком;
D.
М.Шлейдоном.
E.
Шмальгаузеном;
255. Молекула ДНК эукариот:
A.
Двойная спираль;
B.
Линейная;
C.
Циклическая молекула;
D.
Одинарная спираль;
E.
Глобулярная структура.
256. ДНК клеток эукариот находится:
A.
в ядре;
B.
эндоплазматическом ретикулюме;
C.
рибосомах;
D.
хлоропластах;
E.
митохондриях.
257. Химические компоненты хроматина эукариотических клеток:
A.
рРНК;
B.
гистоновые белки;
C.
тРНК;
D.
ДНК;
E.
кислые белки.
258. Плазмиды клеток - это небольшие фрагменты:
A.
ДНК.;
B.
тРНК;
C.
мРНК;
D.
E.
АТФ;
рГНК.
259.Упаковки ДНК в хромосоме:
A.
нуклеосомная нить;
B.
микрофибрилла;
C.
в форме глобулы;
D.
хромонема;
E.
хроматида
260. Транскрипцию осуществляет фермент:
A.
РНК-полимераза;
B.
Липаза;
C.
Амилаза;
D.
Трипсин;
E.
ДНК-оксидаза.
261. Оперон содержит:
A.
все ответы верны;
B.
ген-регулятор;
C.
структурные гены;
D.
репрессор;
E.
ген-оператор;
262.Для поддержания исходного количества хромосом в анафазе митоза к полюсам
расходятся:
A.
хроматиды
B.
центриоли;
C.
центромеры;
D.
ядерная оболочка;
E.
веретено деления.
263. Биологическое значение митоза заключается:
F.
в поддержании постоянства кариотипа в соматических клетках
G.
в обеспечении полового процесса;
H.
в осуществлении процессов регенерации и роста;
I.
в обеспечении бесполого размножения;
J.
в изменение кариотипа.
264. Жизненный цикл клетки может:
A.
совпадать с митотическим;
B.
включать митотический цикл;
C.
приводить к завершению развития клетки;
D.
приводить к периоду дифференцировки;
E.
приводить к гибели клетки.
265.Как называется качественная окраска бактерий для идентификации клеточной стенки
и цитоплазмы?
A.
По Граму;
B.
По Сэлтону;
C.
По Миллеру;
D.
По Пирсу;
E.
По Меркулову.
266. Назовите фамилию ученого показавшего различия в степени окрашивания грамположительных и
грамотрицательных бактерий как результат фундаментального различия в структуре клеточных стенок?
A.
B.
C.
D.
E.
по Сэлтону;
по Граму;
по Миллеру;
по Пирсу;
по Меркулову.
267.Эволюционно обусловленные уровни живого:
A.
все ответы верны,
B.
клеточный,
C.
организменный,
D.
популяционно-видовой,
E.
биогеоценотический,
268. Кислород атмосферы представляет из себя
A.
биогенное вещество
B.
живое вещество.
C.
косное вещество.
D.
биокосное вещество.
E.
все ответы верны
269. Единственным абсолютным критерием вида можно считать
A.
все ответы верны
B.
морфологический.
C.
генетический.
D.
эколого-географический.
E.
ни один из ответов не верен.
270. Дивергенцией называется
A.
расхождение признаков в эволюционном процессе.
B.
схождение признаков в эволюционном процессе.
C.
взаимопроникновение ареалов двух видов.
D.
происхождение нового вида от скрещивания двух или более видов.
E.
все ответы верны
271. Агроценоз (искусственная экосистема) отличается от естественной экосистемы
A.
верны все ответы
B.
преобладанием искусственного отбора над естественным.
C.
меньшим количеством популяций.
D.
постоянной потерей значительной части химических элементов.
E.
все ответы не верны.
272. Онтогенезом называется
A.
развитие организма от зиготы до смерти
B.
историческое развитие вида.
C.
развитие организма от зиготы до рождения.
D.
процесс формирования популяции из разрозненных особей.
E.
все ответы верны
273. Впервые кислород в атмосферу Земли начали выделять
A.
бактерии.
B.
грибы.
C.
водоросли.
D.
вирусы.
E.
все ответы верны
274. Наибольшую биомассу в биоценозе луга имеют
A.
зеленые растения.
B.
травоядные животные.
C.
плотоядные животные.
D.
бактерии гниения.
E.
хищники.
275. Сколько содержит нуклеотидов в кодирующей части гена, если по нему
синтезируется белок, состоящий из 30 аминокислот?
A.
90.
B.
400.
C.
500.
D.
1000.
E.
2000.
276.Сколько аминокислот содержит белок, если кодирующая часть соответствующего ему
гена состоит из 300 нуклеотидов?
A.
100.
B.
10000.
C.
10000.
D.
500.
E.
300.
277. Как называются аллельные гены в хромосоме?
A.
гомологичные.
B.
непарные.
C.
соматические.
D.
негомологичные.
E.
половые.
278. Аллельные гены, где расположены?
A. в гомологичных хромосомах.
B. в одной аутосоме и первой хромосоме.
C. в разных парах хромосом.
D. в половых хромосомах.
E. в непарных хромосомах.
279. Основной фактор в процессе микроэволюции?
A.
Географическая изоляция.
B.
Расширение ареала.
C.
Изменение климатических условий.
D.
Конкурентные отношения между особями в популяции.
E.
Природные катаклизмы.
280. Какую роль в клетке играют липиды?
A.
B.
C.
D.
E.
Энергетическую.
Каталитическую.
Входят в состав клеточного центра.
Сигнальную.
Все ответы верны
281. В каком случае у особи не проявляется доминантная мутация?
A. В гомозиготном организме по доминантному признаку.
B. Оба родителя с доминантными признаками.
C. В гетерозиготном организме.
D. В гомозиготном по рецессивному признаку
E. Никогда не проявляется.
282. По набору генов и хромосом соматическая клетка соответствует.
A. Зиготе.
B. Гамете.
C. Клетке эндосперма.
D. Яйцеклетке.
E. Сперматозоиду.
283. Какую роль в клетке играет фосфорная кислота?
A. Входит в состав аминокислот.
B. Входит в состав нуклеотидов
C. Входит в состав углеводов.
D. Компонент рибосом.
E. Входит в состав липидов.
284. Какова роль углеводов в клетке?
A. Энергетическая.
B. Регуляторная.
C. Транспортная.
D. Информационная.
E. Защитная.
285. Назовите отличие хромосомного набора самца от хромосомного набора самки
позвоночных?
A. Две пары хромосом различны, а все другие одинаковы.
B. Все хромосомы имеют разную морфологию (внешний вид).
C. Одна пара хромосом различна, а все другие одинаковые.
D. Хромосомные наборы одинаковы.
E. Разное число наборов хромосом.
286. Какую долю (%), в среднем, составляет в клетке вода?
A. 80%
B. 20%
C. 1%
D. не содержит.
E. 5%
287. Какое соединение не входит в состав нуклеотидов ДНК?
A. Жирная кислота.
B.
C.
D.
E.
Дезоксирибоза.
Фосфорная кислота.
Аденин.
Цитозин.
288.
A.
B.
C.
D.
E.
На каком этапе энергетического обмена полисахариды
моносахоридов?
На подготовительном этапе.
На бескислородном этапе
На кислородном этапе.
На четвертом этапе.
На подготовительном и бескислородном этапах одновременно.
расщепляются
289. В каких органоидах животной клетки синтезируется АТФ?
A. в митохондриях.
B. в пластидах.
C. в лизосомах.
D. в рибосомах.
E. в мембране.
290. Какая часть молекулы является общей для всех аминокислот?
A. аминогруппа.
B. радикал и аминогруппа.
C. аминогруппа и карбоксильная группа.
D. радикал.
E. радикал и карбоксильная группа.
291. В чем заключается практическое значение исследования причин мутаций?
A. создание исходного материала для селекции.
B. вообще обнаружение такого явления.
C. не имеет практического значения.
D. для регуляции роста.
E. управление оминированием.
292. Какой набор хромосом образуется при митотическом делении диплоидного ядра?
A. Гаплоидный.
B. Триплоидный.
C. Диплоидный.
D. Тетраплоидный.
E. Гексаплоидный.
293. Какую долю (%) в среднем составляют в клетке неорганические вещества?
A. 20%
B. 80%
C. 1%
D. не содержатся.
E. 5%
294. Какая функция характерна для нуклеиновых кислот?
A. Информационная.
B. Каталитическая.
C. Строительная.
до
D. Защитная.
E. Энергетическая.
295. Какой набор хромосом образуется при мейотическом делении диплоидного ядра?
A. Гаплоидный.
B. Триплоидный.
C. Диплоидный.
D. Тетрплоидный.
E. Пентоплоидный.
296. Объясните, что понимают под возрастом активного ила?
A. понимают время его рециркуляции в системе очистных сооружений
B. понимают периодичность его рециркуляции в системе очистных сооружений
C. понимают время его культивирования в составе биопленки
D. понимают время его терминирования в системе очистных сооружений
E. понимают время его инсталляции в системе различных сооружений
297. Приведите пример классов простейших организмов встречающихся в активном иле
A.
Sarcodina
B.
Micrococcaceae;
C.
Bacillaceae;
D.
Metarrisium anisopliae;
E.
Pseudomonadaceae
298. Перечислите стадии аэробной биологической очистки сточных вод
A.
усреднение и осветление сточных вод от механических примесей, аэробная
биологическая очистка осветленных сточных вод, доочистка сточных вод, обработка
осадка
B.
концентрирование стоков, извлечение загрязнений из стоков, идеальное
вытеснение загрязнений
C.
отстаивание и загустение сточных вод от механических примесей, аэробная
биологическая очистка осветленных сточных вод, доочистка сточных вод, обработка
осадка
D.
замараживание и осветление сточных вод от механических примесей, анаэробная
биологическая очистка осветленных сточных вод, доочистка сточных вод
E.
аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод, доочистка сточных вод,
обработка осадка
299. Укажите принципиальные отличия схемы использования биофильтров от схем
очистки с применением аэротенков.
A.
оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во втором
отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки
B.
микробной пленки после отделения их во втором отстойнике возвращаются
обратно в биофильтр
C.
частицы микробной пленки после отделения их во третьем отстойнике
возвращаются обратно в биофильтр и не отводятся на иловые площадки
D.
микробной пленки не отводятся на иловые площадки
E.
Оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во втором
отстойнике возвращаются обратно в биофильтр, а накапливаются на аэротенке
300. Какова существенная особенность работы метанотенка
A.
работает в периодическом режиме загрузки отходов по мере завершения процесса
B.
работает в непрерывном режиме загрузки отходов
C.
работает на твердых питательных средах по мере завершения процесса
D.
работает в периодическом режиме загрузки отходов по мере завершения процесса
E.
работает в условиях строгой стерильности в режиме загрузки отходов по мере
завершения процесса
Все правильные ответы А
Тематика письменных работ по дисциплине
Формы биопрепаратов
Биоремедиация
Микробная биотехнология
Микробно-ферментная биотехнология
Микробно-ферментные составы (биопрепараты) Микрозим(tm)
Биологическая очистка сточных вод :
Очистка водоемов, восстановление биологического баланса и самоочищения
водоемов
8.
Биоремедиация - биологическая очистка почвы и воды от нефти и нефтепродуктов
9.
Укоренное компостирование органики
10.
Очистка отстойников
11.
Утилизация и обезвреживание твердых жиров, очистка жиросодержащих стоков
12.
Утилизация и обезвреживание фекалий, очистка хозфекальных стоков
13.
Получение газа метан (биогаз) из органических отходов
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Тематика контрольных работ
Контрольные задания выполняются по заданию преподавателя в письменном виде.
Для выполнения контрольных заданий рекомендуется дополнительная литература, список
которой приведен на страницах лекционных занятий.
Вариант 1.
1. Биотехнология как межотраслевая область научно-технического прогресса и раздел
практических знаний. Основные факторы, обусловившие развитие современной
биотехнологии.
2. Объекты биотехнологии. Микроорганизмы (бактерии и высшие протисты) –
основные объекты биотехнологии.
3. Растения как источник биологически активных веществ.
4. Открытые и замкнутые ферментационные системы. Хемостатные и турбидостатные
режимы культивирования продуцентов. Основные требования, предъявляемые к
биореакторам.
5. Технологии культивирования клеток животных и растений.
6. Конечные стадии получения продуктов биотехнологических процессов. Отделение
биомассы: флотация, фильтрование и центрифугирование.
7. Сырьевая
база
производства
белка
одноклеточных
организмов:
высокоэнергетические субстраты, отходы сельского хозяйства и других производств.
8. Преимущества и недостатки ферментных технологий.
Вариант 2.
1. Связи биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими
науками.
2. Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных
биотехнологических задач.
3. Использование животных и культур животных клеток для продукции биологически
активных веществ.
4. Основные требования, предъявляемые к системам, используемым для процессов
ферментации.
5. Типы и режимы ферментаций: периодические и непрерывные процессы. Проблемы
аэрирования, пеногашения, асептики и стерильности при различных ферментациях.
6. Методы дезинтеграции клеток: физические, химические и ферментативные.
7. Последовательные стадии производства и очистки белковых продуктов.
8. Технология производства ферментов для промышленных целей.
Вариант 3.
1. Практические задачи биотехнологии и важнейшие этапы ее развития.
2. Принципы подбора биотехнологических объектов: модельные и базовые
микроорганизмы, штаммы микроорганизмов, используемые в биотехнологии.
3. Сырьевая база биотехнологии. Требования, предъявляемые к питательным
субстратам, используемым в биотехнологических процессах.
4. Принципиальные схемы биотех-нологических процессов, определяющие
конструкции биореакторов (ферментеров).
5. Системы перемешивания, применяемые в современных ферментерах.
6. Выделение целевого продукта: осаждение, экстрагирование, адсорбция,
ионообменная хроматография, электрофорез, концентрирование, обезвоживание,
модификация и стабилизация целевых продуктов биотехнологических процессов.
7. Производство гормонов, регуляторных факторов и ферментов. Производство белков
для диагностических целей.
8. Требования, предъявляемые к продуцентам ферментов.
Вариант 4.
1. Области применения достижений биотехнологии.
2. Выделение и селекция микроорганизмов – продуцентов биологически активных
веществ. Принципиальные подходы к улучшению штаммов промышленных
микроорганизмов.
3. Природные сырьевые материалы растительного происхождения.
4. Питательные среды для ферментационных процессов.
5. Принципы масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные
и промышленные ферментеры и решаемые с их использованием задачи.
6. Биотехнология производства белковых продуктов. Биотехнология производства
“одноклеточного” белка.
7. Особые требования к производству белковых продуктов медицинского назначения.
8. Иммобилизованные ферменты и преимущества их применения в биотехнологии.
Природные и синтетические органические носители, используемые для
иммобилизации ферментов. Типы неорганических носителей.
Вариант 5.
1. Перспективы развития биотехнологии.
2. Промышленные ферменты, продуцируемые микроорганизмами.
3. Отходы различных производств как сырье для биотехнологических процессов.
Химические и нефтехимические субстраты, применяемые в качестве сырья для
биотехнологии.
4. Ферментная технология. Область применения ферментов в биотехнологических
производствах.
5. Технологии ферментационных процессов. Преимущества и недостатки
биотехнологических производств по сравнению с химическими технологиями.
6. Специализированные ферментационные технологии: анаэробные, твердофазные и
газофазные процессы.
7. Продуценты белка. Требования, предъявляемые к микробному белку, и
возможности его использования.
8. Производство белковых компонентов крови.
7.2 Вопросы для самоконтроля
1.
Опишите краткую историю науки экологическая биотехнология (доклад с презинтацией).
2.
Дайте характеристику предмету современная экологическая биотехнология.
3.
Укажите состояние современной биоэкологии
4.
Приведите пример различных свойств живой системы и эмерджентности.
5.
Укажите принципиальные параметры биологической системы.
6.
Биогеохимические принципы В.И.Вернадского.
7.
Поток энергии в экосфере. «Правило 10%». «Правило 1%».
8.
Биотический круговорот. Глобальный круговорот углерода, азота, кислорода и
фосфора.
9.
Каковы существенные особенности сочных вод.
10.
Объясните, в чем принципиальные отличия бытовых, промышленных и
сельскохозяйственных стоков, их состав и критерии оценки качества.
11.
Укажите надежность метода определения ХПК (химическое потребление
кислорода) и БПК (биохимическое потребление кислорода), их характеристическая и
прогностическая значимость.
12.
В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования
интенсивных методов переработки бытовых и производственных сточных вод.
13.
Оцените
надежность
интенсификации
процессов
очистки
методом
пространственного разделения различных микробных консорциумов, преимущества и
недостатки этого метода.
14.
Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.
15.
Объясните, в чем разница между газовоздушными и водо- загрязняющими
веществами
16.
Каковы существенные особенности биологических методов очистки воздуха
17.
Чем вызвана необходимость разработки принципиальной схемы для биологической
очистки воздуха
18.
Укажите принципиальные принципы функционирования биоскрубберов
19.
Укажите принципиальные технологические характеристики биоскруббера с
биофильтрами
20.
Объясните, в чем разница между газовоздушными и водо- загрязняющими
веществами
21.
Каковы существенные особенности биологических методов очистки воздуха
22.
Чем вызвана необходимость разработки принципиальной схемы для биологической
очистки воздуха
23.
Укажите принципиальные принципы функционирования биоскрубберов
24.
Укажите принципиальные технологические характеристики биоскруббера с
биофильтрами