BIOTECHNOLOGIE Z

WYKORZYSTANIEM

MIKROORGANIZMÓW

Bioprodukty

• Witaminy
• antybiotyki, szczepionki, surowice,

przeciwciała monoklonalne

• aminokwasy
• enzymy
• związki steroidowe
• kwasy organiczne
• wino, piwo, ocet

Biotechnologie w ochronie

środowiska

• Mają na celu usunięcie substancji

zanieczyszczających środowisko:

• - wody odpadowe
• - środowisko o stałym stanie skupienia

( gleby,

• - hałdy, odpady na wysypiskach itp
• - powietrze

Biochemia

Biochemia

oczyszczania

oczyszczania

warunki

warunki

beztlenowe

beztlenowe

warunki tlenowe

warunki tlenowe

materia organiczna

materia organiczna

COH

COH

2

2

NS

NS

CO

CO

2

2

H

H

2

2

O

O

SO

SO

4

4

NO

NO

3

3

O

O

2

2

COH

COH

2

2

NS

NS

CH

CH

3

3

COCOOH

COCOOH

(kwas pirogronowy)

(kwas pirogronowy)

CO

CO

2

2

H

H

2

2

O

O

CH

CH

4

4

NH

NH

4

4

H

H

2

2

S

S

CONS + H

CONS + H

2

2

CH

CH

3

3

CHOHCOOH

CHOHCOOH

(kwas mlekowy)

(kwas mlekowy)

H

H

2

2

O + HNO

O + HNO

2

2

(azotyny)

(azotyny)

H

H

2

2

O + HNO

O + HNO

3

3

(azotany)

(azotany)

Dziedziny związane z ochroną
środowiska, w których biotechnologia
jest użyteczna:

•Detoksykacja substancji szkodliwych
(oczyszczanie ścieków miejskich i
przemysłowych, zanieczyszczonej gleby,
unieszkodliwianie odpadów stałych,
oczyszczanie atmosfery, neutralizacja
rozlewisk ropy naftowej)
•biologiczny rozkład pestycydów
•usuwanie metali ciężkich ze środowiska
•rozkład tworzyw sztucznych

• odzysk metali szlachetnych (złota,

miedzi, platyny) i radionuklidów (uranu)

• biologiczne źródła energii

• biologiczne pestycydy

• preparaty stymulujące denitryfikację,

podnoszące żyzność gleby i stymulujące
procesy strukturotwórcze

Oczyszczanie wód

odpadowych

Oczyszczanie wód odpadowych odbywa się
w oczyszczalniach ścieków

.

W zależności od źródła powstawania wód
zanieczyszczonych rozróżniamy:
* ścieki miejskie (komunalne)
* przemysłowe.
Jedne i drugie mogą być wspólnie oczyszczane. Niekiedy
ścieki przemysłowe są oczyszczane w oczyszczalniach
przemysłowych.

W zależności od ilości ścieków, które trzeba poddać
oczyszczaniu będą to:
* duże kompleksowe oczyszczalnie lub

*oczyszczalnie tzw. przydomowe (małe)

OCZYSZCZANIE BIOLOGICZNE

• Drugi stopień oczyszczania ścieków polega na

poddawaniu ich procesom mikrobiologicznego
rozkładu. Łatwo rozkładające się substancje
organiczne

(węglowodany,

białka,

tłuszcze)

absorbowane

są

na

żywych

organizmach,

następnie przenikają do środka komórek, gdzie
utleniane są w procesach enzymatycznych do
dwutlenku węgla i wody. Pewna część tych
związków wykorzystywana jest do syntezy nowych
organizmów.

• Efekt oczyszczania zależy od jakości i szybkości rozwoju

mikroorganizmów (ich ilości, zawartości w ściekach
substancji odżywczych, temperatury, wartości
odczynu(pH), zawartości tlenu w ściekach, zawartości
substancji toksycznych i innych).

• Organizmy dokonujące mineralizacji to głównie

bakterie tlenowe, pierwotniaki i inne.

• Proces biologicznego rozkładu ścieków może zostać

skutecznie zahamowany przez obecność w nich
nadmiernych ilości substancji toksycznych (fenoli,
detergentów, cyjanków, chloru, związków metali
ciężkich i wielu innych).

• Do prawidłowego przebiegu procesu konieczne jest

występowanie w ściekach związków azotu i fosforu oraz
niektórych mikroelementów.

• Rozkład substancji organicznej może zachodzić pod

wpływem mikroorganizmów w warunkach tlenowych
(przez organizmy aerobowe) lub beztlenowych
(organizmy anaerobowe).

Metody oznaczania

zanieczyszczeń

• sucha pozostałość
• zawiesiny
• związki organiczne rozpuszczone w

wodzie

• CZT = chemiczne zapotrzebowanie tlenu
• BZT = biochemiczne zapotrzebowanie

tlenu

• OWO (TOC) = ogólny węgiel organiczny

(Total Organic Carbon)

Metody biologicznego

oczyszczania ścieków

Tlenowe:
•osad czynny
•złoża zraszane

Beztlenowe:
•otwarte komory fermentacyjne
•zamknięte komory fermentacyjne

endogeniczna

respiracja

synteza

nitryfikacja

denitryfikacja

D.O. >0,5 mg/l

D.O. >2,0 mg/l

D.O. >0
mg/l

Ładunek (kg BZT/dzień/suchą

4.0 1.0

0.4

0.1

NH

4

zużycie O

2

BZT

NO

3

SYSTEM KONWENCJONALNY

Kom

ora aeracji

ścieki

osadnik

STOPNIOWA AERACJA

Kom

ora aeracji

ścieki

osadnik

ścieki

Kom

ora aeracji

SYSTEM PEŁNEGO WYMIESZANIA

osadnik

wiek osadu (dni)

ładunek (kg BZT/dzień/kg suchej masy)

2,0

0,7

0,2

0,1

wzrost
rozproszony

kłaczki
mikroorganizmów

wzrost filamentowy

kłaczki
rozproszone

Indeks osadu czynnego

wydajność usuwania BZT

otwarte baseny fermentacyjne

bioreaktor wielofunkcyjny

osadniki wstępne

zamknięte komory fermentacyjne

osadniki wtórne

• Są to grunty przeznaczone do oczyszczania ścieków, nie

wykorzystywane rolniczo. Filtracji dokonuje się na glebach
piaszczystych o średnicy ziaren 0,2-0,5 mm. Całe pole dzieli
się na poletka o pow. ok. 0,4 ha i zalewa się je co 0,5-4 dni 5-
10 cm warstwą ścieków. Ścieki przesączają się przez złoże i
oczyszczone odpływają drenami.

• Oczyszczone tą metodą ścieki są klarowne i pozbawione

zapachów. Na powierzchni gleby wytwarza się cienka warstwa
błony biologicznej, składająca się z mikroorganizmów, która
absorbuje zanieczyszczenia zawarte w ściekach. Rozkład ich
następuje w warunkach tlenowych, w przerwach pomiędzy
kolejnymi zalewami. Redukcja BZT5 wynosi ok. 90%.

• Pola filtracyjne mogą mieć zastosowanie do ścieków

przemysłowych zawierających domieszki organiczne z takich
zakładów, jak: browary, gorzelnie, krochmalnie, drożdżownie
i inne. Zaletą tego typu oczyszczania ścieków jest prostota
urządzeń i łatwość obsługi.

POLA FILTRACYJNE (lub filtry
gruntowe)

ROLNICZE WYKORZYSTANIE

ŚCIEKÓW

• W odróżnieniu do pól filtracyjnych, nawadniane pola,

łąki i lasy łączą oczyszczanie ścieków z produkcją
rolną. Ścieki oprócz wody zawierają pierwiastki
biogenne i pierwiastki śladowe, niezbędne do
wegetacji roślin, a także substancje zwiększające
potencjalnie zawartość próchnicy w glebie.

• Rozkład substancji organicznej w glebie zachodzi przy

udziale wielu organizmów: bakterii, grzybów,
pierwiastków, a także robaków, larw owadów i innych.

• Bogactwo gatunków, ilość mikro- i makroorganizmów

w glebie jest miarą jej aktywności i zdolności
szybkiego rozkładu wprowadzanych do niej
zanieczyszczeń.

STAWY RYBNE I GLONOWE

• Oczyszcza się w nich ścieki bytowo- gospodarcze lub

przemysłowe.

• W stawach rybnych zachodzi rozkład substancji organicznej.
• Ścieki dobrze oczyszczone mechanicznie i rozcieńczone

wodą bogatą w tlen zapewniają rozwój planktonu, który jest
doskonałym pożywieniem dla ryb. Dzięki temu zwiększa się
przyrost ryb.

• W stawach glonowych usuwane ze ścieków są związki

biogenne. Glony, które w użyźnionych wodach rozwijają się
bardzo szybko, wykorzystywane są do produkcji pasz dla
zwierząt.

• Rozwijające się glony trzeba koniecznie zbierać, aby nie

dopuścić do braku tlenu i beztlenowego rozkładu
obumarłych organizmów.

• Stawy glonowe w okresie zimowym pracują jako stawy

(osadniki) gnilne.

Fermentacja metanowa

Wszystkie zanieczyszczenia (100% CZT):

Fermentacja metanowa jest procesem dwu
etapowym i składa się z:

I. Fermentacji kwaśnej
• 15% - kwas propionowy
• 20% kwas octowy
• 65% - inne intermediaty
II. Fermentacji metanowej:
• kwas propionowy: 13%  metan (CH4) + 72%

kwas octowy
• inne intermediaty: 35% kwas octowy + 15%
metan
• kwas octowy (72%)  metan

Przetwarzanie odpadów

stałych

Odpady stałe organiczne można przetwarzać
w procesie

kompostowania

, a powstały

produkt użyć do nawożenia gleby lub w
procesie

fermentacji metanowej.

Kompostowanie

- proces powstawania

próchnicy jest wypadkową działalności wielu
czynników fizycznych, chemicznych i
biologicznych, ale czynnik mikrobiologiczny
decyduje o rodzaju otrzymanego produktu.
Tradycyjne metody polegały na układaniu
resztek roślinnych na sobie.Obecnie
zaszczepia się je preparatami
mikrobiologicznymi i związkami
mineralnymi.

Składniki resztek
roślinnych

:

celuloza
hemiceluloza
pektyny
ligniny
cukry proste
nukleotydy
białka, aminokwasy
barwniki
garbniki
substancje eteryczne i

inne

Pośrednie produkty
rozkładu:

oksyceluloza
kwasy uronowe
glukoza
kwasy tłuszczowe
fenole
aminokwasy
chinony
wanilina i inne

Rozkład mikrobiologiczny

biosynteza

humifikacja

mineralizacja

CO

2,

H

2

O,

P

2

O

5

, NH

3

Procesy przebiegające podczas

kompostowania

próchnic
a

Komórki mikro-
organizmów

Biotechnologia i materiały

Jedna z gałęzi biotechnologii wykorzystuje
mikroorganizmy do usuwania metali i innych substancji
lub produkcji nowych tak zwanych biomateriałów.

Metale

• odzysk metali cennych - miedzi, srebra złota - przez
wymywanie metali z rud niskoprocentowych lub odpadów
poprodukcyjnych

• usunięcie metali ze środowiska skażonego, szczególnie
metalami toksycznymi np. metalami ciężkimi

Inne substancje
usuwanie niepożądanych substancji z gleby, minerałów,
osadów
na przykład siarki z węgla, olejów i ropopochodnych
związków z gleb zanieczyszczonych, rozkład polimerów
syntetycznych

biotechnologie

Ługowanie (mikrobiologiczne wymywanie):
polega na ekstrakcji metali z podłoża stałego (rud,
odpadów) w wyniku przekształcenia metali w jony
rozpuszczalne w wodzie. Stosuje się mikroorganizmy
zdolne do wykorzystania tych metali jako źródła energii.

Mikrobiologiczna akumulacja i immobilizacja
metali
w tej technologii usuwa się metale z roztworu poprzez:
- przeprowadzenie w stan lotny
- zewnątrzkomórkowe wytrącanie (precypitację)
- zewnątrzkomórkowe kompleksowanie, a następnie
akumulacja
- wiązanie na powierzchni komórek
- akumulacja wewnątrzkomórkowa

Ługowanie metali

Utlenianie bezpośrednie:
4FeS + 15 O

2

+ 2H

2

O  2Fe

2

(SO4)

3

+ 2H

2

SO

4

ZnS + 2O

2

 ZnSO

4

Jon żelazowy jest efektywnym czynnikiem uwodnienia
wielu metali:

Cu

2

S + 2Fe

2

(SO

4

)

3

 2CuSO

4

+ 4FeSO

4

+ S

0

UO

2

+ Fe

2

(SO

4

)

3

 UO

2

SO

4

+ 2FeSO

4