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.

RdipzUftebXqz1

Ilustracja przestawia na błękitnym tle po lewej grupę zielonych drzew, a nad nimi żółte słońce. Z prawej znajduje się czerwony samochód. Gruba niebieska strzałka z napisem CO dwa prowadzi od niego do drzew. Na dole w brązowym pasku znajdują się cztery grube, żółte strzałki z napisami: celuloza, hydroliza, fermentacja, etanol prowadzące do auta.

.

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.

R1ekNJQDJ5ijl1

Ilustracja przestawia prostokąt, podzielony poziomo na trzy pasy, od dołu: niebieski, jasno brązowy, brązowy. Z lewej stoi urządzenie w kolorze czerwonym z białymi elementami. Od niego w dół spływa duża, czarna plama, oznaczająca wyciek ropy naftowej do ziemi i wód podziemnych. W centralnej części ilustracji pionowa, cienka rurka obrazuje wysysanie ropy z wody. Strzałka wskazuje, że ropa trafia do zielonego kontenera, bioreaktora, gdzie jest rozkładana.

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 bioremediacjibioremediacjabioremediacji. 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.

RkkJB6KAmgXMT1

Tabela przestawia tempo bioremediacji skażonej gleby. U góry nagłówki w kolorze miętowym wskazują kolumny, opisane od lewej: pochodzenie i charakter skażenia, początkowe stężenie węglowodorów, końcowe stężenie węglowodorów, ilość zneutralizowanych skażeń i czas trwania procesu. Białe wiersze mają napisy od góry: stacja przeładunku paliw, gleba skażona olejem transformatorowym, ziemia z osadami z rafinerii, ziemia ze stacji paliw w Skawinie. Na przecięciu kolumn i wierszy znajdują się odpowiednie wartości liczbowe.

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.

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.

R1azFNOqKylvF1

Ilustracja przestawia schematycznie rosnącą roślinę. Biały korzeń w beżowej glebie, zielony pęd powyżej. Strzałki obrazują wnikanie zanieczyszczeń do korzenia i ulatnianie się ich przez liście.

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.

R1K3XKNU9TmWC1

Ilustracja przedstawia sposób oczyszczania ścieków przy użyciu roślin. Kolor brązowy oznacza glebę, niebieski wodę. Z lewej przekrój przez budynek z uwzględnieniem urządzeń sanitarnych. Szara rurka w prawo prowadzi do zbiornika, w którym działają mikroorganizmy. Ma on na dnie ciemny osad. Dalej ścieki poprzez pionowy prostokąt, czyli przepompownię trafiają na podwyższenie, w którym rosną różne zielone rośliny. Stąd oczyszczona woda jest odprowadzana do zbiornika.

3. Biogaz

Niektóre mikroorganizmy rozkładają wielkocząsteczkowe substancje organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany) w warunkach beztlenowych w procesie zwanym fermentacją metanowąfermentacja metanowafermentacją 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.

R1IdBuffTjgay1

Ilustracja w formie schematu blokowego przedstawia znaczenie fermentacji metanowej. W centrum niebieski czworokąt z białą sylwetką urządzeń przemysłowych, opisany: fermentacja metanowa. Po lewej czerwone prostokąty, oznaczające różne rodzaje odpadów, doprowadzanych do urządzeń. Zielone strzałki prowadzą w prawo do błękitnych prostokątów, oznaczających uzyskane efekty. Jednym z nich jest biogaz.

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 mIndeks górny 3³ biogazu, a z 1 mIndeks górny 3³ obornika – około 30 mIndeks górny 3³. 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 biogazubiogazbiogazu.

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.

RKTUaVGeI3xH21

Ilustracja przedstawia urządzenia biogazowi w korach: szarym i zielonym. Z lewej znajdują się małe symbole odpadów spożywczych i obornika jako surowców do produkcji biogazu. Strzałki wskazują kolejne etapy produkcyjne. Po prawej przedstawiono symbole wykorzystania energii ze spalania biogazu: ogrzewanie, produkcję prądu i paliw.

4. Biopaliwa

BiopaliwabiopaliwaBiopaliwa 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.

RdipzUftebXqz1

Ilustracja przestawia na błękitnym tle po lewej grupę zielonych drzew, a nad nimi żółte słońce. Z prawej znajduje się czerwony samochód. Gruba niebieska strzałka z napisem CO dwa prowadzi od niego do drzew. Na dole w brązowym pasku znajdują się cztery grube, żółte strzałki z napisami: celuloza, hydroliza, fermentacja, etanol prowadzące do auta.

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.

R1Y3p0w03PNCo1

Fotografia przedstawia rzędy żółto zielonych pionowych płaszczyzn, w których hodowane są genetycznie modyfikowane sinice. W głębi znajdują się białe niebieski rury i zawory. Instalacja ta służy do produkcji etanolu.

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 biosensorybiosensorbiosensory. 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).

R7NOPIQT5xzQ91

Ilustracja przedstawia schemat działania biosensora. Od góry kolorowe kształty oznaczają badaną próbkę. Jej elementy są wyłapywane na przykład przez mikroorganizmy, oznaczone jako pomarańczowe kule i umocowane na nośniku. Wytwarzany przez nie sygnał biologiczny trafia do przetwornika, symbolizowanego przez żółty prostokąt. Sygnał, zielone strzałki, trafia do zielonego trójkąta – wzmacniacza i dalej do urządzeń elektronicznych.

Detektorami mogą być na przykład bakterie wykazujące dodatnią aerotaksjęaerotaksjaaerotaksję, 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 fluorescencjifluorescencjafluorescencji. Takie bakterie w kontakcie z toksyną emitują światło o niższym natężeniu. Przetwornik zamienia tę informację na łatwo mierzalny sygnał cyfrowy.

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.

Słowniczek

Zadania