Biotechnologia w ochronie środowiska

Nowoczesna biotechnologia wykorzystuje mikroorganizmy, a także niektóre grzyby, protisty i rośliny 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.

RfOyrzBUdhUMN

Ilustracja przedstawia cztery czterolistne koniczynki razem z korzeniami osadzonymi w ziemi. Pierwsza od lewej roślina jest mniejsza od pozostałych, pożółkła. Wokół jej korzeni widoczne są czerwone i niebieskie kropki. Na liściach po jednej kolorowej kropce. Druga roślina ma liście bez kropek, natomiast przy korzeniach zgromadzonych jest sporo czerwonych i niebieskich kropek. Trzecia roślina posiada nieliczne kropki na liściach i kropki zgromadzone gęsto w korzeniach. Czwarta roślina ma liczne czerwone i niebieskie kropki na liściach, a jedynie kilka kropek na łodydze i w korzeniach.

1. Usuwanie skażeń gleb i wód

Skażenia gleby i wód ropą naftową oraz jej pochodnymi stanowią coraz poważniejszy problem. Pojawiają się w związku z eksploatacją złóż, w otoczeniu zakładów przemysłowych, stacji benzynowych i szlaków transportowych. Obserwuje się je także w pobliżu składowisk odpadów. Woda, spływając z tych miejsc, przenosi produkty naftowe do gleby i cieków wodnych. Stąd szkodliwe substancje pobierane są przez rośliny i wędrują wzdłuż łańcucha pokarmowego. Zanieczyszczenia kumulują się w tkankach i zagrażają zwłaszcza organizmom będącym na szczycie piramid pokarmowych (ptakom drapieżnym, większym ssakom, a także ludziom). W glebie węglowodory łączą się z humusemhumus (próchnica)humusem (próchnicą), 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.

Obecność substancji ropopochodnych w wodzie zauważalna jest już przy niskich stężeniach. Zanieczyszczenie produktami naftowymi powoduje tworzenie powierzchniowych warstw, które odcinają dopływ tlenu oraz światła, co znacząco hamuje zachodzące w wodzie procesy biologiczne.

Istnieje wiele metod oczyszczania wód z produktów naftowych. Zaliczamy do nich procesy mechaniczne (np. filtrację), fizykochemiczne (np. sorpcję), chemiczne (np. koagulację) i biologiczne (z wykorzystaniem mikroorganizmów).

To właśnie m.in. koagulacjakoagulacjakoagulacja znalazła szerokie zastosowanie w oczyszczaniu wód i ścieków zanieczyszczonych produktami ropy naftowej. Wspomagająco wykorzystuje się tak zwane adsorbenty porowate, czyli węgle aktywne pochodzące z torfu, węgla brunatnego i kamiennego oraz drewna. Skuteczność koagulacji połączonej z adsorpcją potwierdziły m.in. badania naukowe przeprowadzone przez badaczy z Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Rzeszowskiej.

Wybrane mikroorganizmy glebowe, takie jak Pseudomonas i niektóre inne bakterie, drożdże i grzyby pleśniowe mają naturalną zdolność wykorzystywania substancji ropopochodnych jako źródła pokarmu i energii. Przekształcają one zanieczyszczenia w nietoksyczne związki, np. dwutlenek węgla i wodę. Technologia usuwania zanieczyszczeń z wykorzystaniem organizmów nosi nazwę bioremediacjibioremediacjabioremediacji. Jej efektywność zależy od tempa metabolizmu oraz środowiska życia wykorzystywanych w niej organizmów (np. wilgotności, temperatury, pH podłoża). Można ją prowadzić dwiema metodami: bezpośrednio w środowisku, zaszczepiając glebę odpowiednimi bakteriami, lub w kontrolowanych warunkach, w których biologicznie oczyszcza się zdjętą wcześniej warstwę gleby. Druga z metod jest szybsza.

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 do genomów roślin wprowadza się bakteryjne geny odpowiedzialne za wychwytywanie poszczególnych toksycznych pierwiastków. Umożliwia to wytwarzanie roślin przeznaczonych do wysiewu na skażonych glebach, specjalizujących się w gromadzeniu konkretnych pierwiastków. Naukowcy z Uniwersytetu w Georgii zmodyfikowali w ten sposób rzodkiewnik (Arabidopsis thaliana), wprowadzając do niego dwa geny pochodzące z bakterii E. coli. Dzięki temu roślina ta może kumulować w liściach 10–16 razy więcej arsenu niż rośliny niepoddane zmianom.

Ciekawostka

RZoodeLwM0ZkO

Ilustracja schematycznie przedstawia rosnącą roślinę i drogi którymi usuwa zanieczyszczenia z gleby. Biały korzeń w beżowej glebie, zielony pęd powyżej. Trzy czarne strzałki wskazują na korzeń, podpis: pobieranie zanieczyszczeń przez korzenie. Wskaźnik do korzenia z podpisem: pobudzanie przez roślinę mikroorganizmów glebowych do rozkładu zanieczyszczeń. Wskaźnik do dużego dolnego liścia z podpisem: rozkład zanieczyszczeń przez roślinę. Wskaźnik do drugiego liścia z podpisem: gromadzenie się szkodliwych zanieczyszczeń w tkankach. Trzy czarne strzałki skierowane w górę od górnego liścia, podpis: ulatnianie się zanieczyszczeń.

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 się zwiększyć nawet 1000 razy.

2. Biologiczne oczyszczalnie ścieków

Ścieki komunalne i przemysłowe zawierają: odpadowe ciała stałe, ciecze oraz liczne mikroorganizmy. Wszystkie zawierają trujące i szkodliwe związki chemiczne. Dlatego zanim trafią do rzek i innych zbiorników wodnych, muszą zostać oczyszczone. Najprostszym sposobem jest oczyszczanie mechaniczne. Polega ono na filtrowaniu i sedymentacji osadów, czyli na 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 się odbywać z użyciem związków chemicznych (chemiczne oczyszczalnie ścieków) lub organizmów (oczyszczalnie biologiczne). Oczyszczalnie biologiczne oprócz procesów fizycznych, takich jak sedymentacja, wykorzystują 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 czynnyosad czynnyosad czynny, czyli występować w postaci zawiesiny przypominającej kłaczki, lub pokrywać specjalnie przygotowane płaskie powierzchnie w zbiornikach. Bakterie tlenowe częściowo zużywają produkty rozkładu zanieczyszczeń do własnych procesów życiowych, resztę zaś utleniają.

Metoda oczyszczania ścieków za pomocą mikroorganizmów wykorzystywana jest również w przydomowych oczyszczalniach ścieków. Oczyszczalnie te pozwalają nie tylko gromadzić domowe ścieki, ale również je oczyszczać. Dzięki wpuszczanym do zbiornika oczyszczalni bakteriom szkodliwe substancje przetwarzane są na nieszkodliwe związki mineralne. Na skutek efektywnej pracy oczyszczalni ścieki zostają oczyszczone do wody, która może być następnie wykorzystywana np. do podlewania ogródka, napełniania basenów, a także oczek wodnych. System ten jest zdecydowanie bardziej proekologiczny niż tradycyjne szambo, a także dużo tańszy w eksploatacji.

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 (metanogeny) 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 niektórych 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. Największy udział w wykorzystaniu substratów do produkcji biogazubiogazbiogazu w latach 2011–2019 miały: gnojowica (27%), wywar gorzelniany (21%) oraz pozostałości z przetwórstwa owoców i warzyw (21%). Dyrektywa Parlamentu Europejskiego z roku 2018 w sprawie promowania i stosowania energii ze źródeł odnawialnych stanowi, że 32% energii produkowanej w UE w 2030 r. ma pochodzić z odnawialnych źródeł energii. Agencja Rynku Energii podała, że produkcja energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w Polsce w styczniu 2021 r. stanowiła ok. 13,8 proc. energii, choć cel wynosił 15%. Przed nami więc kolejne wyzwanie, aby ograniczyć zatruwanie naszej planety. Wymaga to budowy kolejnych instalacji do pozyskiwania i uszlachetniania biogazu, a także rozbudowywania innych form, jak panele słoneczne czy farmy wiatrowe.

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 dach, w którym zbierany jest produkowany 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 wapnowaniuwapnowaniewapnowaniu, 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.

4. Biopaliwa

BiopaliwabiopaliwoBiopaliwa 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 na produkcję biomasy terenów, na których można by wytwarzać żywność. Może też dawać impuls do wyrębu drzew (wylesiania), w celu przerobienia ich na np. 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, choć 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 przewyższają koszty produkcji paliw tradycyjnych.

RYOpCDpnV4s6m

Ilustracja przedstawia schemat powstawania etanolu. W lewym górnym rogu znajduje się słońce. Pod nim drzewa. W dolnej części ilustracji pojawiają się podpisane żółte strzałki, kolejno: celuloza, hydroliza, fermentacja, etanol. Po prawej stronie jest czerwony samochód, od którego biegnie duża strzałka w kierunku drzew. Na niej wzór- CO2, oznaczający dwutlenek węgla.

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.

Badania dowodzą, że sinice w kontrolowanych warunkach łatwo ulegają fermentacji, co daje duże możliwości związane z wykorzystaniem poszczególnych ich gatunków jako substratu do pozyskiwania zielonej energii. Dzięki możliwościom przeprowadzania fotosyntezy mogą przekształcać do 10% energii słońca na biomasę, w porównaniu z 1% u kukurydzy i trzciny cukrowej czy 5% u innych mikroglonów.

Indeks górny Źródło: Kinga Dobosz, Julia Tuszer‑Kunc, Dagmara Kulasa, Sylwia Śliwińska‑Wilczewska, „Wykorzystanie sinic w hodowlach masowych”, KOSMOS, Tom 67 2018, Numer 4 (321), Strony 833–840 Indeks górny koniec^{Źródło: Kinga Dobosz, Julia Tuszer‑Kunc, Dagmara Kulasa, Sylwia Śliwińska‑Wilczewska, „Wykorzystanie sinic w hodowlach masowych”, KOSMOS, Tom 67 2018, Numer 4 (321), Strony 833–840}

RuxHrdFyHpAyJ

Fotografia przedstawia rzędy 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 skutecznie działały w wielu miejscach, często słabo dostępnych, zatem ich koszt nie może być wysoki. Wychodząc naprzeciw tym potrzebom biotechnolodzy opracowali tani i czuły sprzęt – czujniki biologiczne, czyli biosensorybiosensorbiosensory. Ich zasadniczą część stanowi element czuły (receptorowy), który składa się np. z mikroorganizmów, enzymów lub fragmentów DNA. Detektorem zanieczyszczeń jest więc warstwa biologiczna, która odpowiada za rozpoznanie danego czynnika (np. stężenia konkretnej substancji), w trakcie którego wytworzony zostaje sygnał chemiczny lub fizykochemiczny. Część niebiologiczna to przetwornik, który przekształca sygnał biologiczny w sygnał elektryczny oraz umożliwia jego rejestrację i pomiar natężenia. Zaletą takiego rozwiązania jest duża stabilność oraz szeroki zakres działania ze względu na ogromną różnorodność możliwych do zastosowania mikroorganizmów. Pozwalają one na ocenę czystości wody, detekcję toksycznych gazów czy wykrywanie jonów metali ciężkich oraz zawartości alkanów, surfaktantów i hormonów.

RlkzKcDynwzDy

Ilustracja przedstawia schemat działania biosensora. Ilustracja podzielona jest na kilka fragmentów. Na samej górze widoczne są kolorowe elementy będące badaną próbką, niżej trafiają one do kulistych, pomarańczowych materiałów biologicznych unieruchomionym na nośniku. Niżej widoczny jest pomarańczowy prostokąt z napisem: element czuły. Następnie zielony prostokąt z podpisem: przetwornik, poniżej, skierowane w dół widnieją zielone strzałki z podpisem: przetworzony sygnał. Poniżej widoczny jest odwrócony, zielony trójkąt z podpisem: wzmacniacz, który skierowany jest do niebieskiego prostokąta: mikroelektronika, z którego w bok wychodzi zielona strzałka do napisu: informacja.

Detektorami mogą być np. 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. Bakterie te w skażonym środowisku 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.

• Oczyszczanie wód i/lub ścieków z produktów naftowych odbywa się za pomocą procesów mechanicznych, fizykochemicznych, chemicznych oraz biologicznych.

• 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.

• Produkcja biopaliwa wiąże się z: wykorzystywaniem terenów, na których można by wytwarzać żywność, wylesianiem, ograniczeniem bioróżnorodności, emisją szkodliwych substancji, koniecznością zmian w budowie silników oraz wysokimi kosztami.

• Biosensory to urządzenia pomiarowe, które wykrywają m.in. skażenia dzięki czujnikom biologicznym takim jak mikroorganizmy, kwasy nukleinowe i enzymy.

Praca domowa

Słownik

Zadania

31

Ćwiczenie 8

R1e4te0q80kmm

Wykres słupkowy (słupki w kolorze niebieskim) przedstawia efektywność produkcji biogazu z surowców stosowanych w biogazowniach rolniczych w latach 2011–2019. Na osi x znajdują się lata. Oś y przedstawia ilość wytworzonego biogazu rolniczego podana w milionach metrów sześciennych. W roku 2011 wyprodukowano 36,646 milionów metrów sześciennych biogazu; w 2012 roku – 73,152; w 2013 roku – 112,412; w 2014 roku – 174,253; w 2015 roku – 206,236; w 2016 roku – 250,159; w 2017 roku – 291,742; w 2018 roku – 303,564; w 2019 roku – 306,396.

RyKqS9jhRpmui

Przeanalizuj powyższy wykres, a następnie sformułuj odpowiedni wniosek dotyczący ilości... (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Przeanalizuj dokładnie dane na wykresie. Jak od 2011 do 2019 roku zmieniała się ilość wytwarzanego biogazu?

Pokaż odpowiedź

Wraz z upływem czasu systematycznie wzrastała ilość produkowanego biogazu.