Промышленные и бытовые отходы → Химическая структура пищевых отходов для г. КалугиПромышленные и бытовые отходы → Химическая структура пищевых отходов для г. КалугиПромышленные и бытовые отходы → Химическая структура пищевых отходов для г. КалугиДля осуществления микробиологической деградации растительных и животных отходов необходимо знать химическую структуру составляющих их компонентов. Эта структура изменяется в зависимости от состава продуктов, которые становятся пищевыми отходами. Их состав, агрохимические показатели, физические свойства различны для разных регионов страны. Отклонения в районах с приблизительно одинаковыми агроклиматическими условиями, сходными сроками вегетационного периода у растений, кормами животных, плодородием и свойствами почв незначительны.
Для определения химической структуры пищевых (кухонных) отходов для г. Калуги была создана модель (проба) отходов. В ее состав вошли компоненты: картофель, свекла, капуста, морковь, апельсины, лимоны.
Отходы были взяты из условий, приближенных к условиям овощехранилищ, на стадии полуразложения, гомогенизированы с отбором пробы массой 0,5 кг. Анализ выполнен на базе городского Центра химизации и сельскохозяйственной радиологии (отдела химизации животноводства и токсикологии). Получены следующие результаты: содержание в пищевых отходах сырой золы составило 6 г на 1 кг пробы или 0,6 по массе; содержание сырого жира — 0,03 г на 1 кг или 0,003% по массе; безазотистых экстрактных веществ — 32 г на 1 кг или 3,2% по массе; общей влаги — 83,85%, сырого протеина — 9,63%; сырой клетчатки — 0,8%; кальция — 0,3 г на 1 кг или 0,003%, фосфора — 0,02 г на 1 кг или 0,002%; каротина — 7 мг на 1 кг.
Основными «поставщиками» отходов органического происхождения г. Калуга являются предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности, овощебазы и сельскохозяйственные предприятия, а также некоторые учреждения и организации. Количество и состав специфичен для предприятий каждой отрасли. Общий объем биодеградируемых отходов составляет около 548 800 м3 или 124 835 кг в год (по данным полигона ТБО). Однако реальный объем этих отходов гораздо выше, так как многие предприятия не вывозят их на полигон, а утилизируют на месте или реализуют.
Утилизация пищевых и промышленных отходов растительного и животного происхождения осуществляется в г. Калуге следующим образом:
Для г. Калуги и Калужской области разработан ряд проектов заводов по переработке бытовых отходов. Работают предприятия по сбору, утилизации и переработке промышленных отходов, однако практически не осуществляется переработка пищевых. Промышленные отходы часто утилизируются методами, не соответствующими требованиям экологической и санитарно-эпидемиологической безопасности. Разработка и внедрение в хозяйство города эффективных методов утилизации отходов крайне актуальны.
Внедрение микробиологической деградации может быть осуществлено в г. Калуге, который является типичным средним городом России (численность населения порядка 360 тыс. человек, типовой уровень развития среды и транспорта). Полученные данные по ТБО города могут быть предложены в качестве модельных. На территории России существует множество мелких и средних промышленных городов с предприятиями деревообрабатывающей, легкой и перерабатывающей промышленности. И далеко не везде существуют экологически и экономически эффективные методы переработки отходов, образующихся в результате деятельности этих отраслей. Основными методами их утилизации остаются сжигание и прессование мусора, захоронение его на полигонах ТБО, что является экологически и экономически неоправданным. Это относится и к отходам от населения, процент которых в общей массе ТБО, достаточно высок. Внедрение в городское хозяйство технологии биодеградации позволит решить эти проблемы.
Преимуществами данного метода является экологическая чистота, так как конечными продуктами являются активный ил (хорошее удобрение), биогаз (энергоноситель) и вода, используемая для хозяйственных, промышленных и бытовых нужд. Применение этого метода представляется уместным и в сельской местности: в небольших фермерских и тепличных хозяйствах он будет особенно эффективным. Метод биодеградации широко применяется в хозяйственной практике европейских стран. Многие фермерские хозяйства Западной Европы удовлетворяют свои потребности в энергетических и органических удобрениях посредством его применения.
Метод биодеградации органических отходов в бытовых и промышленных целях используется в Норвегии и Канаде. В Китае указанный метод также получил распространение (75 млн установок). Многие частные лица используют биокомбайны в целях переработки отходов,, получения энергоносителей и воды.
Все вышеизложенное позволяет судить об экономической эффективности данного метода. Прибыль при его внедрении может быть получена за счет реализации биоудобрений, которые являются ценным продуктом. При серийном выпуске специальных установок объем удобрений может быть значительным. Одна установка способна производить до 250 кг биоудобрений за 4—6 дней. За счет реализации газов энергоносителей и их применения в деградационной установке один фермент объемом 150 л может производить 10-15 м3 бытового газа за утилизацию с содержанием метана в нем до 75%. Таким образом, затраты на обслуживание и ремонт установки будут полностью возмещены в течение приемлемого периода. Итогом является значительное уменьшение объемов органических отходов. Технология метода совместима с городской индустрией.
Судьба вовлеченных в биогеохимический кругооборот элементов, не участвующих в нормальном обмене веществ в клетках организмов, складывается по-разному: одни химически инертны (например, благородные металлы), мало вредят, накапливаясь в каких-то звеньях цепи; другие, химически активные, способны вступать в реакции с белками, замещать биогенные элементы или специфически воздействовать на биологические молекулы и структуры. Они очень опасны, являются ядами. В отличие от природных ядов, которые всегда надежно спрятаны в живых носителях и легко разлагаются с их смертью, техногенные яды в больших количествах попадают в окружающую среду и оказываются довольно стойкими, не всегда перерабатываются и нейтрализуются живой природой. Мощной концентрирующей и загрязняющей функции промышленного производства природа противопоставляет, в основном, функцию разбавления, рассеивания на большой площади суши, иммобилизации в донных отложениях океана. Темпы процесса биогеохимической переработки отстают от техногенного загрязнения среды.
Цинк, медь, марганец в микроколичествах входят в состав некоторых белковых комплексов и, хотя в больших концентрациях они опасны, частично могут быть вовлечены в биогеохимический цикл. Намного больше разомкнутость цикла круговорота тяжелых металлов: годовое производство свинца в мире 3,5 млн т, ртути — 6,5 млн т, причем 50% не подлежит повторному использованию. В организмы растений и животных попадает значительное количество этих металлов, которое потом накапливается в организмах конечных потребителей — людей. Скелет современного американца содержит свинца в 1000 раз больше, чем кости аборигенов Мексики в середине первого тысячелетия. Б. Коммонер мысленно прослеживает путь ртути, содержащейся в использованном и выброшенном элементе электропитания: мусорный контейнер, мусоросжигательная фабрика, атмосфера, водоем, метилирующие ртуть бактерии, зоопланктон, рыба, человек. До конечного звена доходит малая часть, но доходит и накапливается! Аналогичную цепь можно представить для других тяжелых металлов.
По свойствам циркуляции и накопления есть еще ряд элементов, избыток которых навязан биосфере человеком и соединения которых могут вызвать острые и хронические отравления: бериллий, бор, фтор, фосфор, сера, хром, кобальт, мышьяк, кадмий, сурьма, нитриты, нитраты, цианиды. Вместе с тысячами органических ксенобиотиков (хлорорганические пестициды, полициклические ароматические углеводороды, синтетические поверхностно-активные вещества) они успевают нанести вред своим носителям, вызывая у высших животных и человека нарушения иммунитета, возникновение злокачественных опухолей и генетические нарушения.
Как видим, эта картина окружающего мира отличается от существовавшей миллионы лет до человека биосферы. Понятие биотехносферы в данном случае отражает факт существенного преобразования части земной биосферы прямыми и косвенными воздействиями технических средств человека в соответствии с его социально-экономическими потребностями. Совершенно очевидно, что для успешного длительного существования экологических систем необходимо соизмерение производственных и природных потенциалов, подчинение производства экологическому императиву, ограничение природоемкости производства.
Чтобы держать под контролем биомир, необходимо знать законы его развития и жизни. Диапазон распространения микроорганизмов неограничен (от огромных глубин мирового океана и бесплодных почв пустынь до арктических льдов и максимальных высот стратосферы). Они отличаются чрезвычайной быстротой и массовостью размножения, многообразием типов дыхания и питания, легкостью приспособления к резким изменениям ОС, необычайной стойкостью к неблагоприятным факторам воздействия на них. Все это необходимо учитывать человеку в процессе своей деятельности, чтобы не допустить появления опасных для его здоровья видов. Таким образом, необходимо постоянно изучать: географию распространения микроорганизмов во всех сферах (почвах и горных местностях, морских и пресных водоемах, в атмосфере и космосе); микроорганизмы, характерные для данного региона и при определенных природных процессах.
Все живые организмы по типу организации клеток можно разделить на эукариоты (грибки и простейшие) и прокариоты. Эукариоты принимают участие в формировании сообществ микроорганизмов. Но наибольший интерес могут представить прокариоты (бактерии, риккетсии, микоплазмы), — микроорганизмы с простой организацией ядерной структуры. Ядерная структура прокариотов (нуклеоид) состоит из молекулы ДНК, связанной с белками, исключая белки группы гистонов, и содержит гаплоидный набор генов. Бактерии имеют способность к самовоспроизводству, им свойственны разнообразные процессы метаболизма.
Микроорганизмы являются первой мишенью при изменениях ОС. Повышение уровня радиации или концентрации опасных химических веществ и соединений в отходах, загрязняющих окружающую среду, может привести к необратимым изменениям в первичной структуре ДНК клеток микроорганизмов (мутациям). Мутации, одновременно происшедшие в сообществе микроорганизмов, оказывают серьезное влияние на окружающую среду, а также на организм человека. Изучение природных популяций микроорганизмов (совокупности особей одного вида, обладающих общим генофондом) позволило проследить их взаимоотношения с окружающей средой, растительным и животным миром, а также между собой.
Ареалом (площадью, пространством) распространения микроорганизмов является то место и те условия, где они могут существовать и активно размножаться. Например, возбудитель чумы имеет четкий ареал, связанный с колониями грызунов (сурков). До сих пор не удалось ликвидировать очаги этой страшной болезни. Воздух не является ареалом микроорганизмов, так как они не размножаются в воздушной среде. Это указывает на то, что часто сложно определить ареал обнаруженных микроорганизмов, так как их распространение зависит как от географических, так и от экологических факторов.
Любое сообщество живых взаимосвязанных организмов (животных, растений, микроорганизмов), живущих на конкретном участке водоема или суши, называется биоценозом. Если же данное сообщество состоит только из микроорганизмов, то его называют микробиоценозом (бактериальным ценозом).
В состав бактериальных ценозов входят:
Особый интерес может представить микробиоценоз почвы, так как почва всегда обильно насыщена микроорганизмами, что оказывает решающее влияние на всю биосферу. Находясь в почве, микроорганизмы обеспечивают минерализацию остатков органических веществ, что обеспечивает их круговорот в природе. Сама почва представляет собой весьма сложную и динамическую среду со своей внутренней атмосферой, водным режимом, составом минеральных элементов, определенной флорой и фауной. Все эти свойства почва приобретает постепенно при совместном влиянии комплекса воздействующих на нее факторов. В черноземной земле, богатой гумусом и перегноем, микробов значительно больше, чем в глинистых и песчаных. Среднее значение составляет несколько миллиардов микроорганизмов в 1 г почвы.
Распределение микроорганизмов в почве неравномерно: в поверхностном слое глубиной 1—2 мм из-за воздействия солнечной радиации, сухости почвы, а также на глубине более 5 м их число незначительно. Наиболее благоприятные для выживания микроорганизмов условия наблюдаются на глубине 10-20 см.
Качественный состав микрофлоры почвы весьма разнообразен. Преобладают растительные микроорганизмы (водоросли, плесневые грибки, бактерии), имеются простейшие животные организмы (инфузории, жгутиковые, черви, моллюски, членистоногие).
Плесневые грибки наиболее распространены в кислых, богатых органическими веществами, почвах. Максимальное их число приходится на слой почвы глубиной 5-20 см (некоторые обнаруживают на глубине до 80 см). В 1 г этого слоя почвы насчитывается до 1 млн грибков, а их биомасса достигает 1500 кг/га. Грибки расщепляют более 50% клетчатки, что обеспечивает образование гумуса и повышение плодородия почвы.
Бактерии по количеству и разнообразию значительно превосходят другие группы микроорганизмов (в 1 г плодородной почвы их число составляет десятки миллионов, а общая биомасса превышает 1000 кг/га). Бактерии обеспечивают процесс фиксации азота, превращений фосфора, серы, железа и других элементов, определяющих биологическую активность и плодородие почвы. В почве наблюдается достаточное количество болезнетворных бактерий, являющихся патогенными и определяющими эпидемиологическую опасность для высших организмов.
Метабиоз — определенный вид взаимоотношений, при котором один вид микробов использует продукты жизнедеятельности другого, и сам, в свою очередь, создает благоприятные условия для развития первого. Например, микробы-аэробы, поглощая кислород. Обеспечивают развитие анаэробных видов; микробы — разрушители клетчатки обеспечивают пищей организмы, не способные разлагать это сложное вещество; гнилостные бактерии, разлагая белки, обеспечивают накопление аммонийных солей, которые используются нитрифицирующими видами. Примером метабиоза служит сожительство аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии окисляют продукт жизнедеятельности гнилостных микробов (аммиак), а азотобактерии используют органические вещества, которые накопились при разложении клетчатки.
Продукты жизнедеятельности одного микроорганизма могут стимулировать рост другого (сатиллизм): некоторые дрожжи продуцируют аминокислоты и другие биологически активные вещества, что обеспечивает превращение органических форм фосфора, азота, серы в неорганические, которые благоприятно сказываются на развитии высших растений.
Антагонизм является примером враждебных взаимоотношений между микроорганизмами, при котором продукты жизнедеятельности одного микроба губительно действуют на другой микроб. Например, бацилла сибирской язвы развивается только в стерильной моче: любая посторонняя микрофлора угнетает ее рост. Способность одного вида микроорганизмов подавлять жизнедеятельность другого широко распространенное среди бактерий, плесеней й лучистых грибков явление. Это должно использоваться при обеззараживании промышленных и бытовых отходов.
Установлено, что если поле длительно находится подпарами, то происходит исчезновение многих сапрофитных микроорганизмов. Причина этого — прекращение поступления в почву свежих органических веществ, что приводит к гибели не выдержавших конкуренцию в борьбе за кислород микроорганизмов. Конкурентоспособными оказываются те микроорганизмы, которые могут усваивать перегнойные соединения почвы. Молочнокислые продукты образуют молочную кислоту, которая понижает кислотность (рН) среды и подавляет рост гнилостных микроорганизмов. Но необходимо помнить, что взаимоотношения между микроорганизмами зависят от внешних факторов, они сложны и многогранны: микроб, антагонистически относящийся к второму в одних условиях, может быть дружественным ему в других условиях. Это используется человеком наиболее часто в медицине и ветеринарии (применение антибиотиков).
Даже из приведенного неполного перечня можно судить, что микроорганизмы выполняют грандиозную работу по обеспечению главного свойства почвы — ее плодородия. Микроорганизмы в почве могут оказывать положительное, нейтральное или негативное воздействие на жизнь почвы и ее производительность, при этом можно выделить ряд физиологических групп микроорганизмов: