Atjaunots 2023. gada 10. februārī
Olga Mutere

vides biotehnoloģija

(no sengrieķu βίος, bios ‘dzīvība’ + τέχνη, technē ‘māksla’ + λόγος, logos ‘vārds, runa, mācība’; angļu biotechnology, vācu Biotechnologie, franču biotechnologie, krievu биотехнология)

vides zinātnes apakšnozare, kas risina vides problēmas, tostarp piesārņojuma mazināšanu un atjaunojamās enerģijas vai biomasas iegūšanu, izmantojot bioloģiskus procesus

Saistītie šķirkļi

Kopsavilkums

Vides piesārņojuma mazināšana un atkritumu pārstrāde balstās uz bioloģiskiem procesiem, t. i., mikroorganismu un augstāko augu bioķīmisko efektivitāti. Gadījumos, kad augstas koncentrācijas piesārņojums rada toksisko efektu uz mikroorganismiem un augiem, attīrīšanas pirmajā posmā izmanto fizikāli ķīmiskās metodes, pēc tam – bioloģiskās metodes. Vides biotehnoloģija iekļauj zināšanas par mikroorganismu daudzveidību dažādās ekosistēmās, lai izveidotu liela mēroga vides kvalitātes nodrošināšanu.

Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi

Vides biotehnoloģija ir starpdisciplināra zinātnes apakšnozare, kas attīstās vides zinātnes, bioloģijas, ķīmijas, ekotoksikoloģijas, inženierzinātnes u. c. zinātņu nozaru mijiedarbībā. Lai identificētu vides piesārņojuma kontrolēšanas pārvaldes veidu, ir nepieciešami piesārņojuma mērījumi un risku novērtēšana. Viena no vides biotehnoloģijas nozarēm ir notekūdeņu attīrīšana, kuras nozīme aizvien palielinās objektīvu iemeslu dēļ: urbanizācija, industrializācija, Zemes iedzīvotāju skaita pieaugums, dzeramā ūdens trūkums. Bioremediācijas (bioremediation ‘atveseļošana’) tehnoloģijas iekļauj augsnes, sedimentu un ūdeņu attīrīšanu no organiskiem un neorganiskiem piesārņotājiem. Attīrīšanas procesu veic in situ vai ex situ (in situ ‘savā vietā’; apstrāde uz vietas; ex situ ‘ārpus vietas’; attīrīšana ārpus piesārņotās teritorijas). Bioremediācijas tehnoloģijās izmanto dabiskus procesus, t. i., mikroorganismu degradācijas potenciālu un fitoremediāciju (phytoremediation ‘augsnes rekultivācijas metode, izmantojot augstākos augus’). Augsnes/ūdens ekotoksiskums ir viens no svarīgākajiem rādītājiem, ar ko novērtē izvēlētās tehnoloģijas efektivitāti. Lai veiktu enzimātiskās un mikrobioloģiskās transformācijas kontrolētus procesus, ir nepieciešama bioreaktoru konstruēšana. Atjaunojamās enerģijas un biomasas iegūšanai, kā arī gaisa biofiltrācijai izmanto dažāda tipa reaktorus.

Praktiskā un teorētiskā nozīme

Vides biotehnoloģija ir kļuvusi par alternatīvu daudziem ražošanas paņēmieniem, piesārņojuma kontrolei, vides attīrīšanai, atkritumu pārvaldei un citur. Bioloģijas un inženierzinātņu risinājumu izmantošanai ir nepieciešamas dziļas teorētiskas zināšanas un jauno tehnoloģiju aprobācija gan pilotiekārtās, gan reālā ražošanas mērogā.

Vides biotehnoloģisko procesu kontrolei tiek veidotas mākslīgā intelekta programmatūras, kā Artificial Intelligence, Artificial Neural Network un Fuzzy Logic/Fuzzy Neural Networks. Neirālo tīklu veido no atsevišķām procesa vienībām, kuras dēvē par mākslīgajiem neironiem. Tā ir metodoloģija tehnoloģisko procesu modelēšanai, pētīšanai un kontrolei.

Katram piesārņotajam objektam ir unikāls ietekmējošo faktoru kopums: klimatiskie, ģeogrāfiskie, ģeoloģiskie apstākļi, kā arī augsnes īpašības un piesārņošanas vēsture. Tādēļ katram objektam ir jāizstrādā specifiskā attīrīšanas stratēģija, kas apvienotu piemērotas monitoringa metodes, kvalificētus inženiertehniskos risinājumus un zināšanas bioloģijā. Lai novērtētu attīrīšanas tehnoloģijas efektivitāti, ir svarīgi izvēlēties atbilstošus indikatorus mikroorganismu aktivitātes un augsnes kvalitātes testēšanai. Indikatoru izvēlei ir šādi kritēriji: 1. – piemērotība procesiem noteiktajā ekosistēmā; 2. – spēja integrēt fizikālās, ķīmiskās un bioloģiskās īpašības; 3. – jutība pret menedžmenta un laika apstākļu variācijām.

Vides biotehnoloģiju izmantošana rada iespēju vienlaicīgi mazināt vides piesārņojumu un ražot vērtīgus produktus. Piemēram, mikroaļģu un citu fotosintezējošo mikroorganismu kultivēšana notiek, izmantojot notekūdeņus kā barības vielas. Kultivēšanai tiek izmantoti fotobioreaktori. Izaugušo aļģu biomasu var izmantot uztura bagātinātāju, kosmētisko un farmaceitisko līdzekļu, ķimikāliju, pārtikas ingredientu, olbaltumvielu akvakultūru un biodegvielas ieguvei.

Biogāzes iegūšana notiek organisko vielu anaerobās pārstrādes rezultātā, kā gala produktus galvenokārt iegūstot metānu un ogļskābo gāzi. Biogāzi var ražot no dažādiem substrātiem, piemēram, no kūtsmēsliem, kultūraugiem un industriālajiem atkritumiem.

Kompostēšana ir plaši izmantojams organisko atkritumu pārstrādes paņēmiens. Kompostu izmanto lauksaimniecībā augsnes kvalitātes uzlabošanai, dārzkopības produktu ražošanai, piesārņotās augsnes attīrīšanai, erozijas mazināšanai. Tiek meklēti tehnoloģiskie risinājumi digestāta (biogāzes iegūšanas blakusprodukts) pārstrādei kompostēšanas procesā. Vermikompostēšana ir organisko atkritumu pārstrāde ar slieku palīdzību.

Ķīmiskā sintēze no atkritumiem ar mikrobioma palīdzību attīstās trīs virzienos: 1. – karbonskābju sintēze (piemēram, biodīzeļa prekursors kaproāts); 2. – bioplastmasas ražošana (vairāk nekā 300 zināmu baktēriju) un arheju sugu sintēze polihidroksialkanoātos (polyhydroxyalkanoates (PHA)), kam var izmantot pienotavu, papīrfabriku, melases raudzēšanas, putnu fermu notekūdeņus; 3. – mikrobioloģiskā elektrosintēze.

Galvenās teorijas

Koncepcija par mikroorganismu kopienas statusu biotehnoloģiskajos procesos ar laiku ir mainījusies, t. i., tai jābūt nevis „stabilai”, bet nepārtraukti savstarpēji mijiedarbīgai un mainīgai. Pamatkoncepti par mikroorganismu ekoloģiju (sukcesija, R un K stratēģija, ekoloģiskās nišas u. c.), kā arī mikroorganismu klasifikācija pēc enerģijas un oglekļa avotu izmantošanas un Žaka Mono (Jacques Lucien Monod) kinētikas modelis tiek izmantoti biotehnoloģisko procesu izveidē.

Galvenās pētniecības metodes

Municipālo un ražošanas notekūdeņu bioloģiskā apstrāde notekūdeņu attīrīšanas sistēmās iekļauj ķīmiskus, fizikālus un bioloģiskus procesus. Notekūdeņu īpašības nosaka mikroorganismu vielmaiņu (metabolismu), kas ietekmē masu pārnesi un elpošanas ātrumu. Svarīgi kritēriji procesa novērtēšanai ir slāpekli un fosforu saturošo savienojumu noārdīšanās un ķīmiskā un bioloģiskā skābekļa patēriņa samazināšanās (chemical oxygen demand (COD), biological oxygen demand (BOD)).

Bioprocesu inženierija nodrošina biotehnoloģisko procesu realizāciju, veidojot mikroorganismu kultivēšanas apstākļus, t. i., ūdens, gaisa, tvaika, substanču sagatavošanu un pievadīšanu. Bioreaktoru principiālā uzbūve veicina mikroorganismu kultivēšanas procesa norisi atbilstoši konkrētam mērķim (biodegradācija, biosintēze). Tajā izmanto cietfāzes un dziļumkultivēšanu (tās arī kombinē), membrānu reaktorus, flotējošās bioloģiskās sistēmas un citus.

Tehnoloģiskā procesa norises kontrolei izmanto jaunas metodiskas pieejas, tostarp vielu specifisko izotopu analīzi (compound-specific isotope analysis (CSIA)) – piesārņojuma avotu un biodegradācijas produktu noteikšanai; metabolomiku – ar metabolītiem saistošo ķīmisko procesu izpētei; molekulāro tehniku (bioreporters) – ģenētiski modificētām mikroorganismu šūnām, kas ģenerē mērāmo signālu kā atbildi uz specifiskā ķīmiskā vai fizikālā faktora ietekmi; molekulāro tehniku (biocatalysts) – mikroorganismu katalītisko, t. i., enzīmātisko procesu izmantošanai.

Biofiltri ir izmantojami gaisa attīrīšanai no piesārņojuma (<5 gm^-3) lauksaimniecībā (piemēram, cūku, putnu fermās), kā arī citās ražošanas nozarēs, kur veidojas gāzveida atkritumi. Biofiltrācijas efektivitāti nosaka šādi rādītāji: piesārņojuma koncentrācija un sastāvs, filtrējošās kolonnas nesēja īpašības, temperatūra, pH, skābekļa, barības vielu, mitruma koncentrācija, gāzu plūsmas virziens un ātrums, spiediena kritums, biomasas akumulācija.

Dabīgas selekcijas rezultātā piesārņotā augsnē vai ūdenī veidojas mikrobioms, kas sastāv no vairākām mikroorganismu sugām. Mikroorganismi mijiedarbojas savstarpēji – galvenokārt uz oglekļa un enerģijas avotu patēriņa pamata. Mikroorganismi apmainās ar informāciju savstarpēji, kā arī ar augstākajiem augiem specifiskas signālu sistēmas ietvaros. Signāli ietekmē šo organismu dzīves ciklu. Par signālu molekulām var būt augu sakņu eksudāti, aminoskābes un citi. Mikroorganismu aktivitāti augsnē novērtē pēc vairākiem rādītājiem, piemēram, dažādu fizioloģisko grupu kolonijas veidojošo vienību skaita, potenciāla ammonija oksidācijas (nitrifikācijas), mikroorganismu elpošanas un enzīmu aktivitātes, mikroorganismu kopienas raksturojuma ar molekulārām metodēm un citiem. Klimata kamerās veic testus ar precīzi konstantu klimatisko apstākļu uzturēšanu. Lielāka mēroga eksperimentiem ir paredzēti mini lauki, lauki, mitrāji, kā arī pilota mēroga iekārtas, siltumnīcas un citi.

Īsa vēsture

Biotehnoloģiskus paņēmienus cilvēce empīriski izmanto jau tūkstošiem gadu. Nīderlandiešu zinātnieks Antonijs van Lēvenhuks (Antonie Philips van Leeuwenhoek) aprakstīja mikroorganismus, izmantojot pašdarinātus mikroskopus. Franču zinātnieks Luijs Pastērs (Louis Pasteur) pierādīja rūgšanas procesu mikrobioloģisko dabu. Vācu mikrobiologs Roberts Kohs (Robert Koch) pētīja baktēriju vairošanos šķidrajā barotnē. Nīderlandiešu zinātnieks Martinuss Beijerinks (Martinus Willem Beijerinck) atklāja slāpekli fiksējošo gumiņbaktēriju (Azotobacter chroococcum). Nozīmīgākie sasniegumi 20. gadsimtā: DNS struktūras atšifrēšana, rekombinantas DNA tehnoloģijas, bioreaktora konstrukcijas principi.

Pašreizējais attīstības stāvoklis

Vides biotehnoloģijas attīstības pamatā ir mūsdienu sasniegumi gēnu inženierijā, mikroorganismu aktivitātes noteikšanas metodēs, jaunu ražošanas virzienu veidošanā, tostarp petroķīmijas un biosurfaktantu ražošanas jomā. Pieaug arī industriālo un būvniecības radīto atkritumu apjomi, tāpēc to atkārtota izmantošana ir kļuvusi aktuāla problēma. Mūsdienās lauksaimniecības un pārtikas ražošanas atkritumus izmanto kā izejmateriālus biotehnoloģiskajai transformācijai, šādu produktu grupu ražošanai: enzīmi, organiskās skābes, aromatizētāji, polisaharīdi, biodegradējamā plastmasa, dzīvnieku barība, diētiskas šķiedras, farmaceitiski preparāti, giberelīnskābe, degviela.

Turpmākajai attīstīšanai plānots kombinēt dažādos ražošanas procesos iegūtos blakus produktus. Tehnoloģijas izstrādei ir svarīgi novērtēt efektivitāti, kā arī uzturēt bilanci starp bioloģisko sistēmu pārvaldi un to ļaunprātīgo izmantošanu.

Galvenās pētniecības iestādes

Vides biotehnoloģijas galvenās pētniecības iestādes ir Eiropas biotehnoloģijas federācija (European Federation of Biotechnology (EFB); 1978), kas iekļauj vairāk nekā 100 institūciju Eiropā un 30 000 individuālo dalībnieku, 14 reģionālos birojus ar centrālo biroju Barselonā, Spānija.

Eiropas mikrobioloģijas biedrību federācija (Federation of European Microbiological societies (FEMS); 1974), kas iekļauj 52 biedrības no 36 Eiropas valstīm ar 30 000 individuālajiem dalībniekiem.

Nozīmīgākie periodiskie izdevumi

Nature Biotechnology (kopš 1983. gada; Nature Publishing Group); Current Opinion in Biotechnology (kopš 1990. gada; Elsevier); Bioresource Technology (kopš 1979. gada; Elsevier); Applied Microbiology and Biotechnology (kopš 1975. gada; Springer Verlag), Biotechnology Advances (kopš 1984. gada; Elsevier) un citi.

Ievērojamākie pētnieki

Meksikāņu biotehnologs Serhio Reba (Sergio Revah) ir gaisa biofiltrācijas metodes pamatlicējs, pēta baktēriju un micēlijsēņu biodegradācijas gaisa attīrīšanas spējas, izmantojot matemātisko modelēšanu. Beļģu zinātnieks Villijs Verstrēts (Willy Henry Verstraete) pēta bioelektoķīmiskās sistēmas, kas paredzētas enerģijas ražošanai no organiskiem substrātiem. Profesors Dū Jangs Lī (李篤鐘, Duu-Jong Lee) no Taivānas izstrādā mikroaļģu un baktēriju kultivēšanas bioreaktorus. Britu zinātnieks Džefrijs Geds (Geoffrey Michael Ichael Gadd) ir micēlijsēņu ģeomikrobioloģijas pamatlicējs. Profesors Ravi Naidu (Ravi Naidu) no Austrālijas ir viens no ievērojamākiem ekspertiem augsnes remediācijas un ekotoksikoloģijas jomā.

vides biotehnoloģija

Saistītie šķirkļi

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Autora ieteiktie papildu resursi

vides biotehnoloģija

Saistītie šķirkļi

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Saistītie šķirkļi

Autora ieteiktie papildu resursi

Tīmekļa vietnes

Ieteicamā literatūra