Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Nowoczesna biotechnologia wykorzystuje mikroorganizmy do usuwania zanieczyszczeń środowiska i opracowywania optymalnych rozwiązań technologicznych, dzięki czemu produkcja przemysłowa jest tańsza i mniej obciążająca dla środowiska. Przyszłość mają także biopaliwa, choć ich pozyskiwanie budzi kontrowersje.

.

Już wiesz
  • procesy prowadzone przez mikroorganizmy są od dawna wykorzystywane w rolnictwie i w produkcji żywności;

  • technologie przemysłowe są dużym obciążeniem dla środowiska.

Nauczysz się
  • określać zastosowanie mikroorganizmów do utylizacji niektórych zanieczyszczeń gleby i wody;

  • opisywać proces biologicznego oczyszczania ścieków;

  • wymieniać zalety i wady produkcji i stosowania biopaliw.

1. Usuwanie skażeń gleb

Skażenia gleb ropą naftową i jej pochodnymi stanowią coraz poważniejszy problem. Pojawiają się w związku z eksploatacją złóż, w otoczeniu zakładów przemysłowych, stacji benzynowych i szlaków transportowych, gdzie ich źródłem są pojazdy (paliwo, oleje, ścierane opony i nawierzchnia asfaltowa). Obserwuje się je także w pobliżu składowisk odpadów. Woda, spływając z tych miejsc, przenosi produkty naftowe do gleb i cieków wodnych. Stąd szkodliwe substancje pobierane są przez rośliny i wędrują wzdłuż łańcucha pokarmowego. W wyniku kumulacji w tkankach zanieczyszczenia zagrażają zwłaszcza organizmom będącym na szczycie piramid pokarmowych (ptakom drapieżnym, większym ssakom, a także ludziom). W glebie węglowodory łączą się z humusem, dlatego długo pozostają w jej powierzchniowej warstwie. Otaczają grudki gleby, zmieniając jej strukturę i pozbawiając żyjące w niej organizmy dostępu do wody, tlenu i pierwiastków. Prowadzi to do zaniku życia biologicznego na skażonych obszarach.

Ważne!

Kilogram oleju silnikowego wylany do środowiska powoduje, że 5 mln litrów wody nie nadaje się do picia.

Niektóre mikroorganizmy glebowe, takie jak niektóre bakterie (np. Pseudomonas), drożdże i grzyby pleśniowe mają naturalną zdolność wykorzystywania substancji ropopochodnych jako źródła pokarmu i energii. Przekształcają one zanieczyszczenia w związki nietoksyczne, czasem w dwutlenek węgla i wodę. Efektywność tego procesu zależy od tempa procesów prowadzonych przez organizmy oraz od warunków, w którym przyszło im żyć, np. wilgotności, temperatury, pH podłoża. Technologia usuwania zanieczyszczeń z wykorzystaniem organizmów nosi nazwę bioremediacji. Można ją prowadzić bezpośrednio w środowisku, zaszczepiając glebę odpowiednimi bakteriami lub zdejmując warstwę gleby i przeprowadzając jej biologiczne oczyszczanie w kontrolowanych warunkach. Proces drugi jest szybszy.

Do biologicznego oczyszczania gleby wykorzystuje się też rośliny naczyniowe, np. gorczycę sarepską, mającą zdolność gromadzenia ołowiu oraz tobołki polne, akumulujące cynk i nikiel. Metodami inżynierii genetycznej przenosi się obecnie geny bakterii wychwytujących poszczególne pierwiastki do genomów roślin. Umożliwia to tworzenie roślin gromadzących konkretne pierwiastki, przeznaczonych do wysiewu na skażonych glebach. Naukowcy z Uniwersytetu w Georgii zmodyfikowali w ten sposób rzodkiewnik, wprowadzając do niego dwa geny pochodzące z bakterii E. coli. Dzięki temu roślina ta może kumulować w liściach 3‑4 razy więcej arsenu niż rośliny niepoddane zmianom.

Polecenie 1

Dowiedz się, gdzie w twojej okolicy można utylizować zużyty olej silnikowy.

Ciekawostka

Minimalna liczba mikroorganizmów, niezbędna do efektywnego pozbycia się zanieczyszczeń produktami ropopochodnymi, wynosi 100 tysięcy komórek bakterii na 1 g gruntu. W skażonych glebach liczba komórek bakterii może zwiększyć się nawet 1000 razy.

2. Biologiczne oczyszczalnie ścieków

Ścieki komunalne i przemysłowe zawierają: substancje stałe, trujące i szkodliwe związki chemiczne oraz liczne mikroorganizmy. Zanim trafią do rzek i innych zbiorników wodnych, muszą być oczyszczone. Najprostszym sposobem jest oczyszczanie mechaniczne. Polega ono na filtrowaniu i sedymentacji osadów (stworzeniu warunków, w których cząstki stałe gromadzą się na filtrach lub dnie zbiornika). Ilość zanieczyszczeń przy takiej technologii nie zmienia się, zostają one jedynie oddzielone od wody.

Rozkład szkodliwych substancji może odbywać się z użyciem związków chemicznych (chemiczne oczyszczalnie ścieków) lub organizmów (oczyszczalnie biologiczne). Oczyszczalnie biologiczne oprócz procesów fizycznych, jak na przykład sedymentacja, wykorzystują także mikroorganizmy, które za pomocą enzymów wydzielanych do środowiska rozkładają materię organiczną. Proces oczyszczania ścieków zachodzi w warunkach tlenowych lub beztlenowych, jednak w obecności tlenu jest szybszy. Mikroorganizmy stosowane w oczyszczalniach mogą tworzyć osad czynny, czyli występować w postaci kłaczków zawieszonych w wodzie, lub pokrywać specjalnie przygotowane płaskie powierzchnie w zbiornikach. Bakterie tlenowe częściowo zużywają produkty rozkładu zanieczyszczeń do własnych procesów życiowych, resztę utleniają.

Polecenie 2

Opisz, jaki wpływ na przydomowe biologiczne oczyszczalnie ścieków mają środki czystości:

  • zawierające substancje bakteriobójcze,

  • posiadające niskie lub wysokie pH.

Na tej podstawie sformułuj zalecenia dla mieszkańców korzystających z oczyszczalni biologicznych.

Ciekawostka

Osady z oczyszczalni ścieków mogą zwierać cenne surowce, które po odzyskaniu ponownie trafiają do przemysłu. Należą do nich na przykład chrom używany w garbarniach oraz złoto coraz częściej stosowane do budowy precyzyjnych urządzeń. W jednej z japońskich oczyszczalni z 1 t osadu otrzymuje się ok. 2 kg złota.

3. Biogaz

Niektóre mikroorganizmy rozkładają wielkocząsteczkowe substancje organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany) w warunkach beztlenowych w procesie zwanym fermentacją metanową. Jej produkty to metan, dwutlenek węgla oraz inne związki. Bakterie metanogenne są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Występują głównie w osadach dennych rzek, jezior, mórz, oceanów, w gorących źródłach, w szczelinach wulkanów, ściekach, torfie oraz w układzie pokarmowym zwierząt. Uwalniają do atmosfery ogromne ilości gazu cieplarnianego – metanu.

Metan ma dużą wartość opałową, dlatego wykorzystywany jest do produkcji energii cieplnej, elektrycznej oraz napędzania pojazdów. Można pozyskiwać go ze ścieków, odpadów organicznych składowanych na wysypiskach, nawozu biologicznego i biomasy. Z 1 t odpadów uzyskujemy ok. 200 m3 biogazu, a z 1 m3 obornika – około 30 m3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego z roku 2009 w sprawie promowania i stosowania energii ze źródeł odnawialnych stanowi, że 20% energii produkowanej w UE w 2020 r. ma pochodzić z odnawialnych źródeł energii (w Polsce 15%). Wymaga to budowy kolejnych instalacji do pozyskiwania i uszlachetniania biogazu.

Polecenie 3

Oceń korzyści środowiskowe i gospodarcze wynikające z przetwarzania odpadów w procesie fermentacji metanowej.

Biogazownie służą do produkcji gazów opałowych z odpadów biologicznych. W skład instalacji wchodzi zbiornik wstępny (tu biomasa oddzielana jest od składników nienadających się do przetworzenia) oraz komora fermentacyjna. Zbiornik posiada mieszadła oraz specjalny samonośny dach pneumatyczny, pod którym zbiera się wyprodukowany gaz. Komorę fermentacyjną wypełnia się biomasą i zaszczepia odpowiednimi bakteriami. Muszą w niej panować właściwe warunki dla danego rodzaju bakterii, a przebieg procesu powinien być stale monitorowany. Pozostałości pofermentacyjne są składowane, a następnie, po wapnowaniu, używane jako nawóz. Biogaz składa się z metanu (40‑80%), dwutlenku węgla (20‑55%), siarkowodoru i niewielkiej ilości innych gazów. Wartość energetyczną ma metan, dlatego przed zastosowaniem biogaz musi być oczyszczony z innych składników, a zawartość węglowodoru powinna sięgać ok. 90%. Gaz o takim składzie może zasilić instalacje gazu ziemnego lub zostać wykorzystany do produkcji energii elektrycznej.

Ciekawostka

Na terenach bagiennych pojawiają się czasem błędne ognie – małe, przemieszczające się płomyki, w wierzeniach ludowych wiązane ze światem duchów. Są one efektem samozapłonu metanu wydzielanego podczas beztlenowego rozkładu szczątków organicznych.

Ciekawostka

Krowy emitują ok. 75% całego metanu na świecie, pochodzącego z organizmów zwierząt. W Kalifornii przeprowadzono badania, które wykazały, że zwierzęta hodowlane wytwarzają więcej gazów cieplarnianych niż samochody.

4. Biopaliwa

Biopaliwa to substancje otrzymywane z biomasy, należące do odnawialnych źródeł energii. Można je podzielić ze względu na stan skupienia lub pochodzenie. Pierwszy podział wyodrębnia 3 grupy biopaliw:

  • gazowe – powstają w wyniku fermentacji beztlenowej odpadów rolniczych (np. obornika);

  • ciekłe – otrzymywane są w procesie fermentacji alkoholowej;

  • stałe – np. odpady roślinne przetworzone na opał, jak granulat z trocin, brykiet ze słomy.

Produkcja biopaliw daje szansę na uniezależnienie się od paliw kopalnych. Ponadto uprawy roślin przeznaczonych na opał lub surowiec do jego produkcji pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery. Niestety, wykorzystywanie roślin ma również złe strony. Wymaga na przykład przeznaczenia pod produkcję biomasy terenów, na których można by wytwarzać żywność. Może też dawać pozytywny impuls do wyrębu drzew (wylesiania), w celu przerobienia ich na etanol. Dodatkowo istnieją obawy, że wpłynie niekorzystnie na różnorodność biologiczną, ponieważ ogromne obszary będą obsadzane roślinami energetycznymi, co wyeliminuje inne gatunki. Spalanie niektórych biopaliw powoduje emisję substancji szkodliwych, np. tlenków azotu, za to nie zanieczyszcza atmosfery związkami siarki. Stosowanie tego typu opału w motoryzacji wiąże się z koniecznością zmian w konstrukcji silników, w których obecnie przy niskich temperaturach pojawiają się wady eksploatacyjne. Kolejną barierę stanowią koszty wytworzenia, które ok. 2‑3 razy przewyższją koszty produkcji paliw tradycyjnych.

Źródła biopaliw płynnych i możliwości ich zastosowania

Nazwa paliwa

Źródło

Wykorzystanie

Bioetanol

zboża, ziemniaki, buraki cukrowe, słoma, siano, wióry, trociny

substytut i/lub dodatek do benzyny

Biodiesel

rzepak, słonecznik

substytut i/lub dodatek do oleju napędowego

Obecnie prowadzone są badania nad zastosowaniem organizmów modyfikowanych genetycznie w produkcji biopaliw. Celem doświadczeń jest zwiększenie wydajności produkcji biopaliwa i poprawa jego cech przemysłowych.

Ciekawostka

Bioetanol jest paliwem alternatywnym. Szukając taniego źródła tej substancji, przeniesiono geny odpowiedzialne za prowadzenie fermentacji alkoholowej z komórek drożdży do komórek pospolitych bakterii E. coli oraz sinic. Te ostatnie potrafią wytworzyć 2,5 g tej substancji na 1 l pożywki. Etanol można też uzyskać z celulozy poddawanej fermentacji.

Polecenie 4

Największymi producentami bioetanolu na świecie są USA (55% światowej produkcji) i Argentyna (33%). Koszt wyprodukowania 1 l etanolu z kukurydzy w Stanach Zjednoczonych wynosi ok. 1 USD. W Argentynie koszt jest 3 razy niższy, a produkcja opiera się na trzcinie cukrowej. Podaj dwa prawdopodobne powody różnicy kosztów produkcji tego paliwa: jeden natury ekonomicznej, drugi – biologicznej.

5. Biosensory

Monitorowanie skażenia środowiska wymaga użycia czujników, które będą działały w wielu miejscach, często słabo dostępnych, zatem ich koszt nie może być wysoki. Okazuje się, że receptę na tani i czuły sprzęt znalazła biotechnologia, proponując czujniki biologiczne, czyli biosensory. Ich zasadnicza część jest aktywna biologicznie i składa się na przykład z mikroorganizmów, enzymów lub fragmentów DNA. Część niebiologiczna to przetwornik, który przekształca sygnał biologiczny w sygnał elektryczny oraz umożliwia jego rejestrację i pomiar natężenia. Detektorem zanieczyszczeń jest więc warstwa biologiczna, którą mogą tworzyć żywe komórki mikroorganizmów. Zaletą takiego rozwiązania jest duża stabilność oraz szeroki zakres działania ze względu na ogromną różnorodność mikroorganizmów możliwych do zastosowania. Pozwalają one na identyfikację obcego DNA, białek, różnych metabolitów i toksyn oraz skażeń biologicznych (wirusy, bakterie).

Detektorami mogą być na przykład bakterie wykazujące dodatnią aerotaksję, czyli ruch w kierunku miejsc o wysokiej zawartości tlenu. Cechuje je duża wrażliwość na metale ciężkie (np. miedź, ołów, rtęć), które obniżają ich zdolność do przemieszczania się. Jeżeli znajdują się w środowisku skażonym, są mniej ruchliwe, co można mierzyć i na tej podstawie oceniać stopień zanieczyszczenia zarówno wody, jak i gleby.
Do oceny skażeń wykorzystywane są również zmodyfikowane genetycznie mikroorganizmy, które mają zdolność fluorescencji. Takie bakterie w kontakcie z toksyną emitują światło o niższym natężeniu. Przetwornik zamienia tę informację na łatwo mierzalny sygnał cyfrowy.

Ciekawostka

W 2003 r. naukowcy z Instytutu Medycyny Lotniczej w Aachen (Niemcy) badali zastosowanie sensorów zawierających bakterie fluorescencyjne. Czujniki te były wykorzystane do pomiaru stężenia toksyn, na które narażeni są astronauci przebywający w pojazdach kosmicznych. Jeśli w przestrzeni występowały toksyny, bakterie na biosensorze emitowały mniej światła. W przyszłości takie sensory będą wykorzystywane w celu poprawy bezpieczeństwa astronautów.

Podsumowanie

  • Mikroorganizmy glebowe oraz rośliny naczyniowe mogą być wykorzystywane do usuwania zanieczyszczeń gleb i wód metalami ciężkimi i ropą naftową.

  • W biogazowniach zachodzi utylizacja biomasy i produkcja metanu.

  • W produkcji biogazu uczestniczą bakterie beztlenowe.

  • Biopaliwa wytwarzane są z odnawialnych zasobów przyrody i mogą ograniczać przyrost efektu cieplarnianego.

  • Biosensory to urządzenia pomiarowe, które wykrywają na przykład skażenia dzięki receptorom biologicznym, takim jak mikroorganizmy, kwasy nukleinowe, enzymy.

Praca domowa
Polecenie 5.1

1. Wyjaśnij, jaką rolę odgrywa biotechnologia w oczyszczaniu gleb i wód.

Polecenie 5.2

2. Podaj przykłady substancji (innych niż wymienione na lekcji), z których może być produkowane biopaliwo. Jakie cechy powinny posiadać te substancje?

Słowniczek

aerotaksja

ruch mikroorganizmów skierowany w stronę wyższego (aerotaksja dodatnia) lub w stronę niższego (aerotaksja ujemna) stężenia tlenu w środowisku

biogaz

produkt powstały w trakcie rozkładu substancji organicznych w warunkach beztlenowych

biopaliwo

paliwo powstałe z przetworzonych produktów, pochodzących z żywych organizmów

bioremediacja

technologia usuwania niektórych zanieczyszczeń z gleby i wód podziemnych za pomocą żywych organizmów

biosensor

czujnik biologiczny złożony z części aktywnej biologicznie oraz przetwornika sygnału

fermentacja metanowa

wieloetapowy proces beztlenowego rozkładu związków organicznych na metan i dwutlenek węgla prowadzony przez mikroorganizmy; zachodzi we wszystkich ekosystemach; wykorzystywany do utylizacji biomasy i produkcji biogazu

fluorescencja

zjawisko emitowania światła przez atomy lub częsteczki chemiczne

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4