Научные основы практической экобиотехнологии

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ 
ПРАКТИЧЕСКОЙ 
ЭКОБИОТЕХНОЛОГИИ

Н.М. ИСМАИЛОВ

Москва
ИНФРА-М
2020

МОНОГРАФИЯ

УДК 504.06(075.4)
ББК 20.18
 
И87

Исмаилов Н.М.
И87  
Научные основы практической экобиотехнологии : монография / 
Н.М. Исмаилов. – Москва : ИНФРА-М, 2020. — 414 с. – (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/1048434.

ISBN 978-5-16-015723-8 (print)
ISBN 978-5-16-108117-4 (online)
Монография посвящена современным биотехнологиям, позволяющим 
решать актуальные экологические проблемы во всех областях развития 
современного социума. Описано современное использование биотехнологических методов для охраны окружающей среды. Дана общая оценка экологии окружающей среды, проведен анализ биоассимиляционного потенциала био сферы, представлены сведения о биоэкологическом потенциале 
человеческого общества. Рассмотрены вопросы технологической биоэнергетики, получения биоразлагаемых материалов, различные направления 
переработки органических отходов, биоочистка почв, загрязненных нефтепродуктами, пестицидами, тяжелыми металлами, переработки твердых 
отходов, утилизации нефтешламов и буровых шламов, очистки грунтов 
и грунтовых вод от загрязнений, использования биотехнологий в нефтедобывающей промышленности и др. Описаны современные проблемы 
экологического земледелия и успехи в этой области. Обсуждены микробиологические, биохимические и технологические основы данных процессов. Показаны перспективы использования биотехнологий для комплексной охраны окружающей среды. Обсуждается современный взгляд 
на экологическую культуру и экологическую цивилизованность в рамках 
рассматриваемых проблем.
Рассчитана на преподавателей, студентов, технологов, экологов, работников сельского хозяйства, государственных служащих, ответственных 
лиц, занимающихся производством, осуществляющих разработку программ социально-экологического устойчивого развития.

УДК 504.06(075.4)
ББК 20.18 

Р е ц е н з е н т ы:
Бабаев М.П. оглы, доктор сельскохозяйственных наук, академик, 
заведующий отделом Института почвоведения и агрохимии Национальной академии наук Азербайджана;
Садыгова Н.А., доктор биологических наук, профессор, заведующий 
кафедрой биоэкологии Бакинского государственного университета

ISBN 978-5-16-015723-8 (print)
ISBN 978-5-16-108117-4 (online)
© Исмаилов Н.М., 2020

Настоящее, рожденное 
от прошлого, рождает будущее... 

Г.В. Лейбниц

Невозможно объять необъятное, невозможно 
познать истину, невозможно знать будущее. 
Но проблема «завтрашнего дня», когда 
необходимо знать возможное развитие 
предстоящих событий, весьма и весьма актуальна.

Введение

Окружающая человека природа является необходимой основой 
его существования. Она – источник энергии и веществ, используемых в процессе жизнедеятельности людей и развития общества. 
С ростом мирового населения и развитием промышленного производства увеличивается потребность общества в энергии, составе 
и количестве веществ, извлекаемых из природных ресурсов.
В этой связи производственная деятельность людей стала одним 
из важных факторов глобального воздействия на природу. Это выражается в загрязнении атмосферы, водных запасов и почвы многочисленными веществами. Естественный кругооборот веществ 
и энергии в природе, приобретенный ею длительной эволюцией, 
оказывается в ряде регионов нарушенным. Это нарушение стало 
особенно заметным в условиях современной технической революции и прогрессирующих темпов индустриализации и урбанизации во всем мире. 
Как известно, существует теснейшая взаимосвязь и взаимозависимость социально-экономического развития общества и состояния 
окружающей среды. Происходит слияние объектов хозяйственной 
деятельности человека, среды его обитания и окружающей природной среды в единые системы, развивающиеся по своеобразным, 
еще недостаточно изученным законам. Эта взаимозависимость проявляется главным образом в том, что рост благосостояния людей 
зависит от темпов социально-экономического развития, а экономическое развитие в решающей мере зависит от масштабов, интенсивности и характера использования природных ресурсов, в том числе, 
от уровня развития основных технологических процессов и производств. Нерациональное использование природных ресурсов вызывает их быстрое истощение и, как следствие, прогрессирующее 
загрязнение окружающей среды различными отходами, зачастую 

весьма токсичными, со всеми вытекающими отсюда последствиями 
(рост заболеваемости и детской смертности, сокращение продолжительности жизни и т.д.).
 Основные направления природоохранной деятельности были 
реализованы в мире в 70–80-х гг. прошлого века. Экологические 
проблемы стали государственными и международными (институт 
ЮНЕСКО) проблемами (например, создание соответствующих министерств, организующих деятельность по улучшению состояния 
окружающей среды). Были утверждены основные экологические 
стандарты (ПДК и ПДВ по основным элементам), разработаны экологические законодательства, начался широкий выпуск природоохранной техники, контролирующей состояние окружающей среды, 
разработаны правила организации экологического мониторинга, 
создана информационная база, собирающая информацию обо всем 
мире, во всех странах широкое развитие получило создание биосферных заповедников и контроль за состоянием окружающей 
среды, разработана система штрафов и компенсаций, формируется 
глобалистика – новая интегральная наука о современном мире (Федотов А.П., 2002), к решению экологических проблем привлекается 
все большая часть населения в виде общественных организация 
и «зеленых» партий, которые в ряде стран принимают активное 
участие в политической жизни. 
Большую роль в защите окружающей среды от химических 
загрязнений начинает играть международное сотрудничество. 
В 1970-е годы в озоновом слое, защищающем нашу планету 
от опасного действия ультрафиолетового излучения Солнца, было 
обнаружено снижение концентрации О3. В 1974 г. установили, что 
озон разрушается под действием атомарного хлора. Одним из основных источников хлора, попадающего в атмосферу, являются 
хлорфторпроизводные углеводородов (фреоны, хладоны), используемые в аэрозольных баллонах, холодильниках и кондиционерах. 
Разрушение озонового слоя происходит, возможно, не только под 
действием этих веществ. Тем не менее, были предприняты меры 
по уменьшению их производства и использования. В 1985 многие 
страны договорились о защите озонового слоя. Обмен информацией и совместные исследования изменений концентрации атмосферного озона продолжаются.
В декабре 1997 г. в г. Киото (Япония) был принят Протокол 
к рамочной конвенции Организации объединенных наций об изменении климата (датированной маем 1992 г.) (Киотский протокол). 
Главное в Протоколе – количественные обязательства развитых 
стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению выбросов парниковых газов, прежде всего 
СО2, в атмосферу в 2008–2012 гг. У России разрешенный уровень 

выбросов парниковых газов на эти годы – 100% от уровня 1990 г. 
Для стран ЕС в целом он составляет 92%, для Японии – 94%. 
У США предполагалось 93%, однако эта страна отказалась участвовать в Протоколе, поскольку снижение выбросов углекислого 
газа означает понижение уровня выработки электроэнергии и, следовательно, стагнацию промышленности.
12 декабря 2015 г. представители 195 стран приняли в Париже 
новое соглашение ООН по климату, которое определит после 
2020 года объемы выбросов парниковых газов и меры по предотвращению изменения климата. Главная цель соглашения – удержание роста глобальной средней температуры в пределах 1,5–2 градусов по Цельсию по сравнению с соответствующим показателем 
доиндустриальной эпохи. При этом развитые страны подтвердили 
ранее взятое обязательство выделить 100 млрд долларов для развития новых источников энергии. Распределением этих средств 
займется Зеленый климатический фонд ООН.
22 марта 1989 г. была подписана Базельская Конвенция о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением. В конвенции отмечается, что государства должны обеспечивать, чтобы производитель выполнял обязанности в отношении 
перевозки и удаления опасных и других отходов производства, 
способом, совместимым с охраной окружающей среды независимо 
от места их удаления.
Защита окружающей среды все более приобретает внимание 
специалистов в области региональной и глобальной экономики. 
Среди стратегий по защите окружающей среды от промышленных 
загрязнений экономисты выделяют две категории (Hahn R.W., 
Stavins R.N., 1991): 
• т.н. командно-контрольный механизм часто устанавливает предприятиям утвержденные технологии и уровни допустимого загрязнения; 
• 2-й механизм основан на экономическом стимулировании и дает 
предприятиям гораздо большую гибкость для нахождения 
устойчивого состояния окружающей среды. Экономический 
подход предусматривает, что из соотношений затрат и выгод 
предприятия будут самостоятельно осуществлять контроль загрязнений и развивать более чистые, менее дорогие технологии. 
Задача данной работы заключается в том, чтобы в рамках концепции промышленной биотехнологии, освещенной в ряде классических работ (Биотехнология, 1988; Экологическая биотехнология, 1990; Бекер и др., 1990; Квеситадзе, Безбородов, 2002; 
Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., 2006), затронуть проблемы биотехнологии окружающей среды, актуальные на современном этапе для 
для всех стран и способствующие практическому решению ряда 

экологических проблем в стране. Важность и актуальность данной 
проблемы на нынешнем этапе социально-промышленного развития 
несомненна. Во-первых, в первую очередь это связано с тем, что 
за прошедшие десятилетия накопились достаточно острые экологические проблемы, связанные с негативным воздействием промышленности и сельского хозяйства на окружающую среду: загрязнение 
почвенного покрова, грунтовых и поверхностных вод углеводородами и ксенобиотиками, тяжелыми металлами и т.п. В этой связи 
можно ожидать возникновения новых экологических проблем при 
несвоевременном осознании необходимости экологизации производства.

Глава 1 
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Под загрязнением окружающей среды понимают нежелательные 
изменения физических, физико-химических и биологических характеристик воздуха, почв, вод, которые могут неблагоприятно 
влиять на жизнь человека, необходимых ему растений, животных 
и культурное достояние, истощать или портить его сырьевые ресурсы. Эти негативные изменения являются результатом деятельности человека. Они прерывают или нарушают процессы обмена 
и круговорота веществ, их ассимиляцию, распределение энергии, 
в результате меняются свойства окружающей среды, условия существования организмов, снижается продуктивность или же разрушаются экосистемы. Прямо или косвенно такие преобразования 
влияют на человека через биологические ресурсы, воды и продукты. 
Объекты загрязнения первого порядка – экосистемы (биогеоценозы), второго порядка – входящие в их состав растения, животные, микроорганизмы и сам человек. 
Основные источники загрязнений антропогенного происхождения: тепловые электростанции (27%), предприятия черной (24%) 
и цветной (10,5%) металлургии, нефтехимической промышленности (15,5%), строительных материалов (8,1%), химической промышленности (1,3%), автотранспорта (13,3%).
Типы загрязнений и вредных воздействий: физические загрязнения – радиоактивные элементы (излучение), нагрев или тепловое загрязнение, шумы; биологические загрязнения – микробиологическое отравление дыхательных и пищевых путей (бактерии, 
вирусы), изменение биоценозов вследствие внедрения чужеродных 
растений или животных; химические загрязнения – газообразные 
производные углерода и жидкие углеводороды, моющие средства, 
пластмассы, пестициды, производные серы, тяжелые металлы, 
фтористые соединения, аэрозоли и др.; эстетический вред – нарушение ландшафтов, примечательных мест малопривлекательными 
постройками и др. Кроме того, выделяют группы загрязняющих 
факторов: материальные, включающие механические (аэрозоли, 
твердые тела и частицы в воде и почве), химические (разнообразные газообразные, жидкие и твердые химические соединения), 
биологические загрязнения (микроорганизмы и продукты их деятельности), энергетические (физические) загрязнения – энергия 
тепловая, механическая (вибрация, шум, ультразвук), световая, 
электромагнитные поля, ионизирующие излучения. Радиоактивные 
отходы – материальные и энергетические загрязнения. Различают 

также точечные (сосредоточенные) и рассредоточенные источники 
загрязнения, а также источники загрязнения непрерывного и периодического действия. 
Загрязнители бывают: 
• стойкие неразлагающиеся (например, соли ртути, фенольные 
соединения с длинной цепью, ДДТ, алюминиевые банки и др.); 
не существует природных процессов, разлагающих эти загрязнители с той же скоростью, с какой они вводятся в экосистемы; 
• неустойчивые (бытовые сточные воды, избыток нитратов и др.), 
разрушающиеся под воздействием биологических процессов. 
Загрязнение атмосферы. Атмосферное загрязнение – присутствие в воздухе различных газов, паров, частиц твердых и жидких 
веществ, включая и радиоактивные, отрицательно влияющих 
на живые организмы, ухудшающих условия жизни человека и наносящих ему материальный ущерб.
В атмосферу Земли за год выбрасывается, млн т: оксида углерода 200, диоксида углерода более 20, диоксида серы 200, оксидов 
азота 53, пыли более 250, золы 120, углеводородов более 50, фреонов 1, свинца 0,4 и т.д. 
При сжигании топлива в атмосферу попадают диоксид и оксид 
углерода, оксиды азота и серы, сажа, пыль, а также канцерогенные 
циклические углеводороды (бензантрацен, холантрен и др.) при неполном сгорании топлива. Эти углеводороды содержатся и в саже, 
гудроне, которые выбрасываются дизельными двигателями. Более 
58% выбросов диоксида серы образуется при функционировании 
тепловых электростанций. Черная металлургия является источником выбросов не только оксидов углерода, но и марганца, соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути. Нефтедобывающая и нефтехимическая промышленность – источники 
выброса углеводородов, различных оксидов, твердых частиц, а химическая промышленность – различной пыли, оксидов тяжелых 
металлов, хлористых соединений, аммиака, фтористого водорода, 
силикатов, альдегидов, углеводородов, кремнефтористого натрия 
и других токсических веществ.
Все виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, морской, речной, авиация) значительно загрязняют воздух. Так, в выхлопных газах автомобилей содержатся оксид углерода, оксиды 
азота, различные углеводороды, в том числе альдегиды, сернистые 
газы, а также свинец, хлор, бром, фосфор и др. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступает около 200 вредных веществ. Самолеты выделяют оксиды углерода и азота. Особенно 
вредны из всех выбросов диоксид серы, оксид углерода, оксиды 
азота, различные углеводороды, пыль, тяжелые металлы. Часто 
образуется смог – смесь дыма, влаги, химических веществ. Оксиды 

азота и серы, растворяясь в атмосферной влаге, образуют кислоты, 
выпадающие с дождями и подкисляющие и без того кислые почвы 
таежно-лесной зоны. Вредное воздействие на растительность 
оказывают диоксиды серы и азота, озон, пероксид водорода, тяжелые металлы, этилен, анилин, соединения аммония, продукты 
фотохимического окисления фторидов и т.п. Под их влиянием 
подавляется фотосинтез, нарушается водообмен, снижается 
транспирация, угнетаются рост и развитие растений, снижается 
их продуктивность. Загрязнение отрицательно влияет на плодовитость животных и птиц. Исключительно вредны для здоровья 
человека оксиды свинца, соединения мышьяка, кадмия, бериллия, 
пыль, оксиды углерода. Так, пыль вызывает раковые заболевания, 
аллергию, дерматозы, силикоз; оксид углерода разрушает гемоглобин крови; диоксид углерода раздражает слизистую оболочку 
глаз и дыхательных путей; диоксид серы вызывает хронический гастрит, атеросклероз, расстройства нервной и сердечно-сосудистой 
систем, бронхит, ларингит, рак легких; свинец изменяет состав 
крови и костного мозга, поражает печень и почки и др.; мышьяк, 
ртуть, селен приводят к отравлениям, а также могут вызвать импотенцию, ослабить умственные способности (ртуть); сероводород – 
причина расстройств центральной нервной и сердечно-сосудистой 
систем и т.п.
Загрязнение водных ресурсов. Источниками загрязнений вод 
могут быть атмосферные осадки, с которыми поступают различные загрязнители антропогенного характера из воздуха 
и почв; городские сточные воды, в основном хозяйственно-бытовые (коммунальные), содержащие фекалии, детергенты (моющие средства), патогенные микроорганизмы; промышленные 
сточные воды различных отраслей производства. Наиболее 
стойкие загрязнители – нефтяные масла. Опасны загрязнители целлюлозно-бумажной, химической, текстильной, металлургической, горнорудной, пищевой промышленности, заводов 
по очистке урановой руды и переработке ядерного топлива для 
реакторов, атомных электростанций. Источником загрязнения является и сельское хозяйство в связи с применением пестицидов, 
удобрений, образованием животноводческих стоков, богатых мочевиной (они могут поступать в водоемы с сельскохозяйственных 
угодий с ливневыми водами).
Обычно различают биологическое (органическое), химическое 
и физическое (тепловое) загрязнения вод. Биологическое загрязнение — стоки, содержащие фекалии, мочу, пищевые отходы, стоки 
боен, пивоваренных, молочных и сахарных заводов, сыроварен, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, кожевенных производств и др. Такие воды являются бактериологически зараженными 

и могут вызывать заболевания —дизентерию, кишечные инфекции, 
тиф и другие инфекционные заболевания. 
Химическое загрязнение вод вызывают сточные воды предприятий, содержащие в токсичных количествах соли свинца, меди, 
никеля, цинка, кадмия, бериллия, нитраты и нитриты, сульфаты 
и сульфиды, персульфаты, нефтепродукты, фенолы, пестициды 
и другие химические соединения, которые нарушают процессы фотосинтеза, обусловливают непригодность воды для рыбного хозяйства, 
рекреационных целей и хозяйственно-питьевого назначения.
Тепловое загрязнение исходит от тепловых электростанций. 
Сброс нагретых вод в природные водоемы вызывает повышение 
температуры воды, замену обычной флоры сине-зелеными водорослями, выделяющими при разложении токсические вещества. 
Такая вода непригодна для питья, рыбного хозяйства, часто и для 
промышленности, так как возможны нарушение технологических 
процессов, коррозия металлических конструкций. Токсические вещества, содержащиеся в водах, весьма опасны для человека, так как 
активно накапливаются в пищевых цепях. Так, углеводороды, ароматические амины, нитросоединения, попадая в организм человека, 
могут вызвать раковые заболевания. Бывают случаи отравления 
рыбой, содержащей соединения ртути.
Загрязнение литосферы. В наибольшей степени загрязнению 
подвергается самый верхний слой литосферы – почвы – в связи 
с применением в больших дозах удобрений, пестицидов на сельскохозяйственных угодьях, внесением вредных веществ с ирригационными водами, накоплением отходов промышленности, полеводства и животноводства, антисанитарным состоянием многих 
населенных пунктов, выпадением атмосферных загрязнителей, 
например тяжелых металлов. На поверхность почв могут выпадать 
кислые дожди и радиоактивная пыль, наблюдается загрязнение патогенными организмами. Опасно загрязнение выхлопными газами 
автомобилей, содержащими свинец, углеводороды, оксиды азота 
и др. Загрязненность почв достигает 50% (избыточное внесение 
удобрений, пестицидов и т.д.). 
Среди загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы 
(ртуть, свинец, кадмий, ванадий, хром, цинк, медь, никель, селен 
и др.), а также мышьяк – отходы различных производств, в особенности металлургической и машиностроительной промышленности. Тяжелые металлы попадают в почву при сжигании топлива, 
с выхлопными газами автомобилей. Радионуклиды загрязняют 
почву в результате аварий на атомных электростанциях, ненадежного захоронения радиоактивных отходов. Почву могут загрязнять 
минеральные удобрения, особенно азотные, если их вносят в избыточных дозах.