Комбинированная техника в экобиотехнологических и экологических технологиях

КОМБИНИРОВАННАЯ 

ТЕХНИКА 

В ЭКОБИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ  

ТЕХНОЛОГИЯХ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2024

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.35(075.4)
ББК 38.761.204.4
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Комбинированная техника в экобиотехнологических и экологических технологиях : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2024. — 193 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2100003.

ISBN 978-5-16-019245-1 (print)
ISBN 978-5-16-111954-9 (online)
В монографии изложены теоретические основы культивирования микрорганизмов и наиболее распространенных экобиотехнологических технологий, в том числе биологической очистки воды, биотехнологии очистки 
почвы и воздуха, а также аэробной и анаэробной обработки осадков сточных вод и отходов. Проанализированы возможные пути получения элек троэнергии путем анаэробного сбраживания осадков сточных вод.
Предназначена для научных сотрудников и специалистов научно-исследовательских и проектных организаций, аспирантов, магистров, бакалавров, студентов старших курсов, обучающихся по экологическим направлениям подготовки и специальностям.

УДК 628.35(075.4)
ББК 38.761.204.4

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

ISBN 978-5-16-019245-1 (print)
ISBN 978-5-16-111954-9 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2023

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

Введение

Окружающая среда может оказывать значительное влияние 

на жизнедеятельность человека. Особое влияние это может проявляться в случае повышенной загрязненности окружающей среды. 
Последнее приводит к угнетению жизнедеятельности человека.

Согласно определению, представленному в ФЗ «Об охране 

окружающей среды» № 7 от 10 января 2002 г. (ст. 1), окружающая 
среда — совокупность компонентов природной среды, природных 
и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов; а природная среда (далее также — природа) — совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов; и в свою очередь, компоненты природной 
среды — земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, 
атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные условия для существования жизни на Земле. Если указанная 
выше совокупность компонентов не угнетает жизнедеятельность 
человека, то такие условия являются допустимыми и согласно 
указанному выше закону в целом «благоприятная окружающая 
среда — окружающая среда, качество которой обеспечивает устойчивое функционирование естественных экологических систем, природных и природно-антропогенных объектов» (URL: http://www.
consultant.ru/document/cons_doc_LAW_171268/).

Качество окружающей среды оценивается специально введен
ными нормативами.

Согласно указанному выше закону «нормативы качества окру
жающей среды — нормативы, которые установлены в соответствии 
с физическими, химическими, биологическими и иными показателями для оценки состояния окружающей среды и при соблюдении 
которых обеспечивается благоприятная окружающая среда;

 
• нормативы допустимого воздействия на окружающую среду — 

нормативы, которые установлены в соответствии с показателями воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду, и при которых соблюдаются нормативы качества 
окружающей среды;

 
• нормативы допустимой антропогенной нагрузки на окру
жающую среду — нормативы, которые установлены в соответствии с величиной допустимого совокупного воздействия всех 
источников на окружающую среду и (или) отдельные компоненты природной среды в пределах конкретных территорий 
и (или) акваторий, и при соблюдении которых обеспечивается 

устойчивое функционирование естественных экологических 
систем и сохраняется биологическое разнообразие». Последнее 
включает в том числе и жизнедеятельность микроорганизмов.
Рассмотрим влияние антропогенных факторов на природную 

окружающую среду. Антропогенные факторы — это изменения, 
происходящие в окружающей среде в результате хозяйственной 
деятельности человека. Под загрязнением окружающей среды понимается поступление в нее любых твердых, газообразных или 
жидких веществ, микроорганизмов или тепловой, электромагнитной, радиационной, звуковой видов энергии. Виды загрязнений 
весьма многообразны. Основные из них: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; попадание в водную среду всевозможных производственных и коммунально-бытовых отходов; нефтепродуктов, 
минеральных солей; засорение ландшафтов мусором и твердыми 
отходами; широкое применение пестицидов; повышение уровня 
ионизирующих излучений; накопление тепла в атмосфере и гидросфере. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного 
производства шла до недавнего времени по экстенсивному пути без 
учета экологических последствий. Химическое загрязнение — один 
из основных факторов неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду и ее обитателей, в том числе на микроорганизмы. В окружающую среду выбрасывается большое количество различных химических веществ, в том числе полученных 
путем синтеза. Ежегодно производятся десятки миллионов тонн 
неизвестных синтетических материалов. В почвы вносится огромное количество минеральных удобрений и химических веществ 
для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

Одни из этих соединений не разлагаются естественным путем 

или же разлагаются частично, другие очень медленно. Неразложившиеся остатки радиоактивных и органических соединений 
накапливаются в различных объектах внешней среды. При этом 
возникает опасность их попадания в пищевые продукты, а с ними 
в организм человека.

В атмосферу ежегодно выбрасываются сотни миллионов тонн 

оксидов азота и серы, углекислоты, твердых и жидких взвешенных 
частиц (аэрозолей), миллионы тонн газообразных органических веществ. Загрязнение атмосферы приобретает глобальный характер, 
что приведет к возможному изменению климата, увеличению потока жесткой УФ-радиации на поверхности Земли, увеличению 
числа заболеваний среди людей.

Антропогенное загрязнение почв связано с твердыми и жидкими 

отходами различных видов промышленности, добычи полезных 
ископаемых, строительства, городского хозяйства и сельскохозяйственного производства. Для РФ особое значение приобрели 

проблемы загрязнения почвы нефтепродуктами и тяжелыми металлами, а также бытовыми отходами.

Из всех сред обитания (атмосфера, почва, вода) наибольшим 

воздействиям со стороны человека подвержена вода. При этом 
загрязнения, выбрасываемые в атмосферу или вносимые в почву 
в трансформированном или неизменном виде, поступают в водоемы. За счет выпадения осадков и в период весеннего половодья 
вместе с поверхностным стоком в воду попадают загрязняющие 
вещества. Загрязнение природных вод связано также с использованием водных ресурсов в промышленности и сельском хозяйстве, 
в энергетике, на хозяйственно-бытовые нужды, а также в связи 
с развитием водного транспорта, мелиоративных преобразований 
и т.д. После использования вода возвращается в природные водные 
объекты, неся в себе следы воздействия в виде изменения химического состава, температуры, биологического загрязнения (множество микроорганизмов, в том числе и патогенных).

Для ирригации промышленного производства, бытового 

снабжения отбирается более 10% речного стока и сбрасывается 
в водоемы ежегодно сотни миллиардов кубических метров промышленных и коммунальных стоков. Их нейтрализация требует 
5–10-кратного, а в отдельных случаях и большего разбавления 
чистой водой.

Способы и пути борьбы с антропогенным загрязнением окру
жающей среды разнообразны. Среди них строительство очистных 
сооружений, установка пылегазоулавливающих фильтров, создание 
безотходных и малоотходных технологий, утилизация отходов, использование их в качестве вторичного сырья для получения полезной продукции, применение замкнутых циклов водоиспользования, применение биологических методов борьбы с вредителями 
и болезнями сельскохозяйственных и лесных растений, оптимизация режима использования техники, поиски новых видов топлива 
и источников энергии и др. Важное значение при выборе способов 
и средств защиты окружающей среды имеет применение биотехнологических процессов, одним из условий успешного использования 
которых является создание оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов.

Глава 1 

ЭКОБИОТЕХНОЛОГИЯ —  

ОСНОВА БИОЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Хорошо известно, что важнейшая особенность микроорга
низмов заключается в их способности приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. В процессе эволюции 
микроорганизмы адаптировались к самым различным экологическим условиям. Из литературных источников известно много примеров осуществления жизнедеятельности микроорганизмов в экстремальных условиях. Так, известны бактерии, размножающиеся 
при весьма высоких температурах, например при 65–75°C; микроорганизмы, растущие при минус 6°C; размножающиеся в среде, 
содержащей до 25% NaCl; бактерии, которые обитают в воде, 
охлаждающей атомные реакторы, и переносят большое облучение; 
дрожжи, живущие в меде и варенье; бактерии, размножающиеся 
в кислых средах при pH 1,0 или выдерживающие давление в несколько сот атмосфер, и т.п. Необычайная устойчивость микроорганизмов к различным факторам внешней среды позволяет им 
занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте 
океана на глубине около 11 км, на поверхности ледников и снега 
в Арктике и Антарктике и высоко в горах, в почве пустынь, в атмосфере на высоте 20 км. Все среды биосферы буквально пронизаны 
микроорганизмами. Вездесущность микробов объясняется их уникальной способностью находить и утилизировать самые ничтожные 
источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. 
Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает удивительную адаптацию микробов к условиям обитания, гибельным для 
любых других живых существ. Исключительно интенсивная жизнедеятельность огромного числа разнообразных микроорганизмов 
является важнейшим фактором обеспечения динамического равновесия земной биосферы.

Можно выделить несколько направлений в использовании ми
кроорганизмов в экозащитных целях:

1) обезвреживание опасных промышленных и бытовых отходов, 

включая сточные воды и различные техногенные отходы;

2) биоконверсия животного и растительного сырья;
3) использование микробов-«аборигенов» для обезвреживания 

загрязненных почв путем стимулирования их жизнедеятельности;

4) получение биопрепаратов, используемых, например, в виде 

биологических средств защиты растений и т.п.;

5) использование продуктов метаболизма микроорганизмов 

в качестве препаратов различного экозащитного применения и т.п.

Кроме отмеченных, имеются и другие отдельные направления 

со специфическим использованием микроорганизмов или их продуктов метаболизма.

Во всех случаях на первом этапе реализации того или иного 

решения необходимо осуществление стадии культивирования микроорганизмов в специальном аппарате или активизация жизнедеятельности микроорганизмов-«аборигенов» в среде, например 
в почве, воде и т.д. Культивирование микроорганизмов или их активизация жизнедеятельности является необходимым и ключевым 
звеном успеха применения микробов для решения поставленной 
задачи. Другие стадии биотехнологического процесса, связанные 
с выделением биомассы микроорганизмов или продуктов их метаболизма и дальнейшим обезвоживанием получаемых продуктов 
или препаратов, являются важными, но зависящими от эффективности стадии культивирования микроорганизмов. При неэффективности стадии культивирования и весь биотехнологический процесс становится априори бесполезным или малопривлекательным.

В этой связи возникают задачи по более детальному рассмот
рению в первую очередь вопросов, касающихся условий, при которых возможно проведение процесса культивирования микроорганизмов в оптимальном режиме в зависимости от используемых 
штаммов микроорганизмов. Среди таких важных вопросов — выбор 
эффективного штамма микроорганизмов, составы питательных 
сред, подача кислорода в необходимом количестве в случае осуществления аэробного процесса, соблюдение оптимальных значенией 
физико-химических параметров процесса культивирования и др.

В ряде случаев применяют монокультуры, изолированные 

из естественных ассоциаций, селекционированные по свойствам 
наиболее важных для данного биотехнологического процесса, например в случае получения кормовых дрожжей по содержанию 
белка. Монокультуры выращивают на специальных питательных 
средах и при определенных (оптимальных) условиях. Успех поиска 
эффективного штамма также зависит от глубины знаний о физиологии и метаболизме исследуемых микроорганизмов.

1.2. ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ 

МИКРООРГАНИЗМОВ

В случае осуществления строго контролируемых биотехно
логических процессов правильный состав питательной среды 

является важнейшим условием достижения высоких техникоэкономических показателей этих процессов. Начиная с выбора 
субстрата и заканчивая составом минеральных солей, витаминов 
и стимуляторов роста. Например, при промышленном культивировании кормовых дрожжей на гидролизатах растительного сырья 
и парафинах нефти совершенствование состава питательных сред 
позволило повысить основные технико-экономические показатели на ряде предприятий примерно на 25–45% в зависимости 
от используемого субстрата.

Среди элементов питательной среды наиболее важное зна
чение имеет углерод, который входит в состав всех органических 
соединений, встречающихся в микробной клетке. Углерод может 
вступать в соединения с кислородом, водородом, азотом и серой, 
образуя соединения из больших цепочек углеродных атомов, составляющих основу жизненно важных соединений протоплазмы — 
белковых веществ.

Другим наиболее важным элементом питательной среды яв
ляется азот. Известно, что его роль в составе питательной среды 
заключается в его большой реактивности. Участие азота в составе 
белковых веществ делает белковые молекулы более реакционно- 
способными. Азот входит в состав аминокислот, материала, из которого формируются молекулы белковых веществ. Важную роль 
играют и другие элементы: фосфор, сера, кислород, калий и др. 
Фосфор, например, входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты, являющейся аккумулятором энергии биохимических процессов клетки микроорганизмов. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов питательная среда должна содержать, 
наряду с указанными выше элементами, источники витаминов 
и биостимуляторов.

В случае биотехнологических процессов, когда питательные ве
щества поступают на стадию культивирования по вероятностным 
зависимостям, как в случае биологической очистки сточных вод, 
питательная среда оказывает влияние на формирование биоценоза, который образуется в зависимости от поступающего питания. 
Особо следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев в составе биоценозов практически всегда присутствуют бактерии рода Pseudomonas, что указывает на определенную универсализацию их питания. При этом задача состоит, как и при осуществлении большинства биотехнологических процессов, в том, чтобы 
полнее была бы использована питательная среда, компоненты которой представлены загрязнениями сточной воды. В отдельных 
случаях на очистных сооружениях вводят дополнительные источники питания для улучшения сбалансированности по некоторым 
элементам питания.

1.3. МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

В биотехнологической практике используются следующие спо
собы культивирования микроорганизмов: 1) аэробное, анаэробное, 
факультативно анаэробное, 2) поверхностное, твердофазное и глубинное, 3) периодическое (стационарное), полунепрерывное (доливное) и непрерывное, 4) мезофильное, олигофильное и термофильное, 5) с применением монокультур или микробных ассоциаций.

В настоящее время широко используются следующие методы 

культивирования:

1) глубинный метод — аэробное, глубинное, периодическое (или 

полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением 
монокультуры. Например, выращивание кормовых и хлебопекарных дрожжей и др.;

2) поверхностный метод — аэробное, поверхностное, периодиче
ское (или полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением монокультуры. Например, биосинтез лимонной кислоты 
и др.;

3) анаэробный метод — анаэробное, глубинное, полунепре
рывное, термофильное культивирование с применением монокультуры или микробных ассоциаций. Например, биосинтез витамина 
В12;

4) твердофазный метод — аэробное, твердофазное, периодиче
ское (или полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением монокультуры или микробных ассоциаций. Например, 
биосинтез аваморина и других ферментов;

5) непрерывный метод — аэробное, глубинное, непрерывное, ме
зофильное (или термофильное) культивирование с применением 
монокультуры (реже микробных ассоциаций). Например, производство кормовых дрожжей и др.

В практике культивирования используются и другие способы, 

например иммобилизация клеток продуцента в разных комбинациях с целью более полного обеспечения потребностей продуцента.

1.4. АЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ

В аэробных процессах при обмене веществ между системой 

культивирования и внешней средой большое значение имеют 
усвоение продуцентом атмосферного кислорода (реже — чистого 
кислорода) и эвакуация избытка углекислого газа из системы. При 
этом потребляемые микроорганизмами вещества используются 
для: 1) синтеза биомассы, 2) синтеза метаболитов, 3) поддержания 
необходимого уровня метаболизма.

Такая закономерность характерна и для поглощения кисло
рода. В промышленных условиях культивирования основная часть 
кислорода используется бактериями для синтеза биомассы и поддержания уровня метаболизма. Известно, что из всех веществ, поступающих в клетку из питательной среды, кислород считается основным лимитирующим фактором, что подтверждается в том числе 
и промышленной практикой культивирования кормовых дрожжей.

В жизнедеятельности аэробных микроорганизмов кислород 

играет роль активатора электронов, регулятора активности ферментов, ингибитора активности роста и биосинтеза при определенной концентрации, регулятора активности дыхательной цепи 
при сопряжении ее с окислительным фосфорилированием и др. 
При изучении режима аэрации принято говорить о критической 
концентрации кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток кислорода.

При культивировании аэробных микроорганизмов следует раз
личать следующие режимы аэрации: минимальный, который лимитирует дыхание клеток микроорганизмов; оптимальный для роста 
биомассы и биосинтеза целевого продукта; максимальный, выше 
которого наблюдается ингибирование кислородом.

Достаточно большой арсенал средств для создания необходимых 

условий аэрации для насыщения среды кислородом в настоящее 
время разработан и широко используется в практике культивирования микроорганизмов. Следует отметить, что в ряде случаев 
эффективным является использование агрегатов с перемешивающей и аэрирующей функцией. Так, в практике культивирования 
дрожжей на парафинах нефти весьма эффективным оказалось использование мешалок турбинного типа, с помощью которых удалось создать интенсивный массообмен и достигнуть высоких показателей по аэрации культуральной среды.

В случае биологической очистки сточных вод в большинстве 

случаев использование мешалок не дает желаемого результата, что 
и привело почти к повсеместному применению пневматической аэрации в аэротенках.

1.5. ПОДАЧА ИНГРЕДИЕНТОВ В ПИТАТЕЛЬНУЮ СРЕДУ И РЕЖИМ 

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

Применение современного оборудования позволяет осуще
ствлять подачу ингредиентов в питательную среду в автоматическом режиме. Это позволяет эффективно использовать ферментационную аппаратуру и создает условия для более равномерного 
усвоения ингредиентов, исключая, как правило, возникновение их 
концентраций с ингибирующим эффектом.