Биотехнология в сельском хозяйстве Орловской области

Введение. Биотехнология в сельском хозяйстве. Наука биотехнология сформировалась в середине 60-х годов прошлого века в недрах микробиологической промышленности. В Российской Федерации последние годы растёт интерес к вопросам экологии и защиты окружающей среды. В современном понимании наука биотехнология определяется как наука о технологиях производства самых разнообразных веществ и продуктов благодаря использованию естественных биотехнологических процессов. Благодаря данным процессам в агропромышленном комплексе стали внедрять следующие перспективные направления:

• 1)    создание перспективных кормовых добавок из сельскохозяйственных отходов и усовершенствование репродуктивных функций животных, особенно крупного рогатого скота, на основании эмбриогенетических методов;

• 2)    производство ветеринарных биопрепаратов;

• 3)    дальнейшее совершенствование трансгенных культур, удобрений и биологических средств защиты растений.

Основная часть.

В настоящее время в Орловской области разработана и утверждена программа «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия в Орловской области на 2013-2020 годы» в соответствии государственной программой развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы. В 2015 году она была дополнена. В данной программе предусматривается полное развитие всех отраслей сельского хозяйства агропромышленного комплекса Орловщины с учетом обстоятельств вступления Российской Федерации в Всемирную торговую организацию (ВТО). Значит, основными целями данной программы являются, помимо увеличения объёмов производства сельскохозяйственной продукции, повышение конкурентоспособности на внешнем и внутреннем рынке, а также экологизация производства. [1]

Соответственно, для достижения целей данной программы предусматривается решение многих задач, в числе которых входят такие как:

• -    стимулирование инновационной деятельности и инновационного развития агропромышленного комплекса Орловской области;

• -    развитие биотехнологии;

• -    создание условий для эффективного использования земель сельскохозяйственного назначения.

С 2016 года в данную программу включили дополнительно 10 подпрограмм, из которых нам наиболее интересна пятая - «Техническая и технологическая модернизация, инновационное развитие». В ней рассматриваются и решаются следующие задачи:

• 1)    повышение инновационной активности сельскохозяйственных товаропроизводителей и расширение масштабов развития сельского хозяйства на инновационной основе;

• 2)    создание и развитие институциональной среды, необходимой для разработки и широкомасштабного использования инноваций;

• 3)    создание инфраструктуры развития биотехнологии в сельском хозяйстве.

Но при реализации данной программы развития сельского хозяйства Орловщины, необходимо помнить и о рисках, состоящих в следующем:

• 1)    рост цен на энергоресурсы и материально-технические средства, потребляемые в отрасли, что ведёт к ограничению возможностей использования инновационных проектов;

• 2)    слабая материально-техническая база и медленные темпы обновления основных материальных и производственных фондов, что в свою очередь не позволяет в полной мере обеспечить на внутреннем рынке импортозамещение отечественной продукцией;

• 3)    снижение темпов инновационного развития агропромышленного комплекса;

• 4)    снижение эффективности агропромышленного производства вследствие слабого внедрения достижений биотехнологии.

В Орловской области в 2001 году был создан региональный биотехнологический центр сельскохозяйственной биотехнологии. Область его научных направлений чрезвычайно велика. Одним из направлений центра является задача охраны окружающей среды. А для её решения от загрязнений химической и биологической природы в качестве методов очистки можно применить физические, химические и биологические способы: каталитическое и термическое сжигание; озонирование; адсорбция; конденсация при охлаждении и химическая очистка.

Но, следует заметить, что вышеперечисленные методы слишком энергозатратны и нуждаются в больших финансовых средствах. К тому же они совершенно не экономичны для малых объёмов с небольшой концентрацией загрязнений. Если же приходится использовать большие концентрации, то это может привести к быстрой «усталости» катализаторов. Кроме того, при таких процессах переработки разнообразные отходы и промышленные воды могут стать ещё одной причиной загрязнения окружающей среды. Окисление хлором может привести к появлению опасных хлорсодержащих соединений в промышленной воде. Содержание некоторых соединений (этилмеркаптан, метилмеркаптан, скатол, масляная кислота) в газовоздушных выбросах вследствие работы агропромышленных предприятий переработки сточных вод или полигонов твердых бытовых отходов может в 103…106 раз превышать пороговые концентрации. Кроме того, при нейтрализации кислотного или щелочного абсорбента существует опасность повторного выделения резко пахнущих веществ. Адсорбция не позволяет производить полную дезодорацию отработанного воздуха из-за некоторой селективности адсорбирующего вещества. Кроме того, при данных процессах обработки промышленные воды, сжигаемый газ, различные отходы становятся второй основной причиной загрязнения окружающей среды.

При всех достоинствах и недостатках перечисленных методов обнаруживается преимущество биологического способа прежде всего из-за меньших финансовых и производственных расходов и частичного отсутствия повторной нагрузки на окружающую среду.

В начале 70-х годов прошлого века начались исследования и разработки микробиологической дезодорации, в которой искусственно используют процессы, протекающие в природе. Они чрезвычайно удобны тем, что просты в эксплуатации, не производят вторичных загрязнений и относительно дешевы.

Вредные компоненты при биотехнологической очистке выходящих газов выборочно утилизируются разными штаммами микроорганизмов. Компоненты загрязнений могут быть тонко измельчены в промывной жидкости или разлагаться на насадке в виде биологической пленки. Вследствие способности микроорганизмов к адаптации этот универсальный принцип применяют для утилизации широкого спектра загрязняющих веществ органического происхождения, а также некоторых неорганических соединений, например аммиака, фосфорной кислоты, минеральных солей и т. д. [2]

Вещества, загрязняющие воздух, вследствие биологического разложения в клетке микроорганизмов обычно разлагаются до углекислого газа и воды.

Важным для микробиологической утилизации компонентов загрязнений является выбор культур микроорганизмов для утилизации компонентов загрязнений. Для этих целей обычно используют адаптированный активный ил, бактериальные культуры или плесневые грибы.

Оптимальные, для конкретных задач очистки, популяции микроорганизмов получают путем селективного отбора природных штаммов непосредственно от источника загрязнений. В настоящее время известно два микробиологических способа очистки газовоздушных потоков - биофильтрация и биоабсорбция.

Принцип биофильтрации заключён в способности живых организмов усваивать или перерабатывать вредные вещества в безвредные. Для него должны выполняются условия:

• 1)  продукты  разложения микроорганизмов не должны

отрицательно влиять на биологический процесс разложения;

• 2)    сорбируемые вещества должны биологически разлагаться;

• 3)    удаляемые из отходящих газов вещества должны обладать способностью осаждаться на фильтрующем материале.

Для принципа биоабсорбции важны следующие условия:

• 1)    вымываемые вредные вещества должны биологически разлагаться;

• 2)    вредные вещества, удаляемые из отходящих газов, должны растворяться, диспергироваться, конденсироваться водой.

Методы утилизации компонентов загрязнений газов микроорганизмами определяются на основе твердой и жидкой фаз.

Распространённым способом очистки при помощи жидкой фазы является активный ил.

Твердая фаза выражается в методе обработки, при котором очищаемый газ медленно проходит через слои микроорганизмов, находящиеся в пористом носителе, который может быть как органического, так и неорганического происхождения.

Способ биофильтрации реализуется путем компостной или почвенной дезодорации с применением инертного носителя и других видов носителей.

В почвенной дезодорации применяют известную функцию природной среды. Загрязнения, находящиеся в воздухе, при прохождении через почву, задерживаются в промежутках между частицами почвы, абсорбируются на поверхности этих частиц, растворяются в почвенной влаге, вследствие чего благодаря почвенным микроорганизмам подвергаются окислительному разложению за счет химических реакций ингредиентов почвы. Определенные преимущества оборудования почвенной дезодорации заключаются в простоте управления, небольших эксплуатационных затратах и устойчивости процесса. [4]

Среди недостатков выделим необходимость оборудования специальных мер защиты от неблагоприятных погодных условий и относительно большие размеры для размещения установок.

В компостной дезодорации применяется метод, схожий с почвенной дезодорацией, но в качестве адсорбента в фильтрах используют остатки древесных грибов, отходы животноводства и иные агенты почвенной основы.

Недостатки и преимущества данного способа аналогичны способу почвенной дезодорации, однако в данном методе имеются определённые ограничения по видам загрязнений, которые могут им поглощаться.

Метод инертного носителя и иные виды носителей через слой наполнителей технически похожи вышеперечисленным дезодорациям. Используют фильтрующий слой в виде цеолита, керамзита, древесных отходов и т. д. Ввиду того, что данный фильтрующий слой не содержит популяции микроорганизмов, её вносят в виде активного ила или адаптированного активного ила. Главное преимущество этого метода состоит в том, что фильтрующий слой имеет высокую пористость и, следовательно, используемые популяции микроорганизмов, адаптированные к конкретным источникам загрязнений, позволяют достигать высокой степени очистки. [4]

Но и недостаток данного метода аналогичен недостаткам других методов, т.е. для очистки больших потоков нужна большая площадь для размещения установки.

Для осуществления биоабсорбции применяют установки двух типов: скрубберы и аэротенки.

Принцип работы скруббера и аэротенка похожи. Отличия заключаются в используемом оборудовании.

В скруббере внутри загрязнённого текущего газа рассеивается и распыляется водный абсорбент, содержащий культуру микроорга-низмов. А в аэротенках основной принцип дезодорации состоит в циркуляции активного ила.

Конструкции абсорбентов основываются на применении свойства возникновения поверхности диффузии между газом и жидкостью.

Иногда применяются колонные установки с элементами насадки, находящимися в стационарном или в псевдоожиженном состоянии. Они создают при помощи насадок развитую поверхность контакта фаз, способствующую интенсификации массообменных процессов, при этом фиксируется на элементах насадок биологически активная площадь из микроорганизмов. [3]

Таблица 1    - Варианты аппаратного оформления биотехнологических способов очистки

Вид оборудования	Фильтрующий слой	Основные этапы удаления микроэлементов или соединений из газа	Источники микроэлементов и минеральных солей
биофильтр	микроорганизмы на природных носителях	адсорбция материа-лом фильтрующего слоя; деструкция иммобилизованными клетками микроорганизмами	материал фильтрующего слоя
биоскруббер	активный ил или вода	абсорбция    водой    в абсорбере	добавляют в воду
Капельный биофильтр	Клетки       микроорганизмов,     фиксированные       на искусственных     и естественных материалах	Диффузия через плёнку воды и деструкция в биоплёнке	добавляют в воду

Самыми популярными насадками-наполнителями являются песок, уголь, полимерные материалы и т. д.

Основное преимущество данного метода заключается в низких эксплуатационных и финансовых затратах, компактности оборудования и создании интенсивного массообмена. К недостаткам относится необходимость использования адаптированной культуры микроорганизмов для каждого вида загрязнений при последовательной его утилизации и сложный технологический процесс. Полученную в процессе биоочистки биомассу микроорганизмов можно использовать в технических целях.

В Российской Федерации в настоящее время промышленное использование биотехнологических способов очистки и дезодорации отходящих газов реализовано в трех вариантах аппаратурного оформления. Капельный биофильтр является промежуточным решением между биофильтром и биоабсорбером. [5]

Для эффективности работы биотехнологической установки вместо активного ила используют селекционированные штаммы микроорганизмов и ассоциации на их основе, утилизирующие самые различные виды загрязнений, в том числе и трудно разлагаемые; фенол, формальдегид, ацетон, уайт-спирит, сольвенит, меркаптаны, нефть, нефтепродукты, толуол, айрол, спирты и т. д.

Технологические устройства для очистки газовоздушных выбросов в виде биофильтров, биоабсорберов и пленочный биоабсорберов могут использоваться для разных нагрузок по загрязняющим веществам и газовым потокам.

Выводы: в настоящее время в Российской Федерации активно ведутся разработки биологических способов очистки окружающей среды от загрязнения химического и биологического происхождения, включающих как разработку активных штаммов микроорганизмов, так и аппаратурного оформления промышленных установок. Использование данных способов очистки позволяет в наибольшей степени достичь эффективности процесса очистки с наименьшими экономическими затратами осуществлять необходимые защитные мероприятия.

Тургенева»

BIOTECHNOLOGY IN AGRICULTURE IN THE OREL REGION Abstract. Nature protection from pollution by chemical and biological wastes remains an important problem in the field of environment. The various methods of cleaning are applied, but their high energy consumption and high cost should be noted. This problem can be solved by use of the biological method primarily due to lower financial and operational costs and partial absence of cyclic load on the environment.