Новые подходы к решению экобиотехнологических задач с использованием комбинированной техники

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ 
 ЭКОБИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  
КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНИКИ
Б.С. КСЕНОФОНТОВ
Москва 
ИНФРА-М 
2025
МОНОГРАФИЯ

УДК  628.316.12(075.4)
ББК  38.761.204 
	
К86
Ксенофонтов Б.С.
К86	 	
Новые подходы к решению экобиотехнологических задач с использованием комбинированной техники  : монография  / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 217 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/2195508.
ISBN 978-5-16-020802-2 (print)
ISBN 978-5-16-113457-3 (online)
В монографии впервые комплексно рассмотрены вопросы, касающиеся 
решения экобиологических задач путем использования микробиологических технологий и новой оригинальной комбинированной техники в виде 
комбайнов различного типа.
Изложены теоретические основы культивирования микроорганизмов 
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.
Особое внимание уделено очистке почвы и  воды от  нефтепродуктов 
на различных примерах.
Предназначена для  научных сотрудников и  специалистов научно-исследовательских и проектных организаций, студентов старших курсов экологических специальностей университетов.
УДК 628.316.12(075.4)
ББК 38.761.204
Р е ц е н з е н т:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского университета дружбы народов
ISBN 978-5-16-020802-2 (print)
ISBN 978-5-16-113457-3 (online)
©  Ксенофонтов Б.С., 2025
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 
[1—37]. Последнее приводит к угнетению жизнедеятельности человека.
Согласно определению, представленному в Федеральном законе 
от 10 января 2002 г. № 7 «Об охране окружающей среды» (ст. 1), 
окружающая среда — совокупность компонентов природной среды, 
природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов; природная среда (далее — природа) — совокупность компонентов природной среды, природных и природноантропогенных объектов; 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».
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 может привести 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 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  хозяйственнобытовые 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). Способы и пути борьбы с антропогенным загрязнением окружающей 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.
Особое внимание уделено одновременной очистке воды и почвы 
от таких загрязнений, как нефтепродукты, как это происходило 
в  Керченском проливе при  столкновении танкеров с  нефтепродуктами (топливным мазутом).
В целом следует отметить, что при  правильной организации 
работ и  использовании необходимой техники можно избежать 
больших негативных последствий подобных аварий. По нашему 
мнению, надо для этого разрабатывать новые эффективные технологии и технику.

Глава 1.  
ЭКОБИОТЕХНОЛОГИЯ — ОСНОВА 
БИОЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Хорошо известно, что важнейшая особенность микрорганизмов 
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°С; микроорганизмы, 
растущие при –6°С и 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 микроорганизмов 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 микрорганизмов 
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 
микрорганизмов в специальном аппарате или активизация жизнедеятельности микрорганизмов-«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 микрорганизмов или продуктов их метаболизма и дальнейшим обезвоживанием получаемых продуктов или 
препаратов, являются важными, но зависящими от эффективности 
стадии культивирования микроорганизмов. При неэффективности 
стадии культивирования весь биотехнологический процесс становится априори бесполезным или малопривлекательным.
В этой связи возникают задачи по более детальному рассмотрению в первую очередь вопросов, касающихся условий, при которых возможно проведение процесса культивирования микроорганизмов в оптимальном режиме в зависимости от используемых 
штаммов микрорганизмов. Среди таких важных вопросов — выбор 
эффективного штамма микрорганизмов, составы питательных 
сред, подача кислорода в необходимом количестве в случае осуществления аэробного процесса, соблюдение оптимальных значений 
физико-химических параметров процесса культивирования и др.
В ряде случаев применяют монокультуры, изолированные 
из естественных ассоциаций, селекционированные по свойствам, 
наиболее важным 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 биотехнологических процессов правильный состав питательной среды является 
важнейшим условием достижения высоких технико-экономических 
показателей этих процессов. Начиная с выбора субстрата и закан

чивая 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 значение 
имеет углерод, который входит в состав всех органических соединений, встречающихся в микробной клетки. 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 является 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 вещества поступают на стадию культивирования по вероятностным 
зависимостям, как в случае биологической очистки сточных вод, 
то 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 присуствуют 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 
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 способы культивирования микроорганизмов: 1) аэробное, анаэробное, 
факультативно анаэробное; 2) поверхностное, твердофазное и глу

бинное; 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, периодическое (или полунепрерывное), мезофильное культивирование 
с  применением монокультуры. Например, биосинтез лимонной 
кислоты и др.;
3)	 анаэробный метод — анаэробное, глубинное, полунепрерывное, 
термофильное культивирование с применением монокультуры или 
микробных ассоциаций. Например, биосинтез витамина В12;
4)	 твердофазный метод — аэробное, твердофазное, периодическое (или полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением монокультуры или микробных ассоциаций. Например, 
биосинтез аваморина и других ферментов;
5)	 непрерывный метод — аэробное, глубинное, непрерывное, 
мезофильное (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 кислорода. 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 различать следующие режимы аэрации: минимальный, который лимитирует дыхание клеток микроорганизмов; оптимальный для роста 
биомассы в биосинтезе 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 микрорганизмов. Следует отметить, что в ряде случаев 
эффективным является использование агрегата 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 осуществлять 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.
Наиболее эффективным является непрерывный метод культивирования. Хотя следует отдельно отметить, что в ряде случаев периодический процесс является более эффективным.
По данным ряда разработчиков, при использовании технологии 
непрерывного процесса получения этанола с рециркуляцией биомассы дрожжей технико-экономические данные повышаются 
по  сравнению с  периодическим процессом. Скорость притока 
свежей среды оказывает существенное влияние на интенсивность