Биотехнология как приоритетное направление индустриально-инновационного развития Казахстана

В статье показано, что применение инновационных биотехнологий даст возможность в ХХІ в. обеспе­чить растущее население Земли продовольствием, а также питьевой водой и другими природными ре­сурсами на основе повышения эффективности использования потенциалов биосферы, гидросферы, атмосферы и литосферы. Делается вывод, что развитие в перспективе биоэнергетики потребует широ­кого использования биотехнологий для выращивания биомассы. Описываются современные виды биотоплива, которые включают: этанол, извлекаемый из целлюлозы, сахара и крахмала (за исключе­нием зернового крахмала), отходов обработки зерновых культур и овощей, животных и пищевых от­ходов; дизельное топливо из биомассы; биогаз, произведенный на основе конверсии биомассы, и дру­гие виды биотоплива, извлекаемого из целлюлозной биомассы. Уделяется внимание применению био­технологий в целях защиты окружающей среды на предприятиях горнодобывающего сектора эконо­мики. 

Что такое биотехнология?

Микроорганизмы существовали с самого зарождения жизни на земле. Представляя собой самую многочисленную и разнообразную группу живых организмов, они встречаются повсеместно — на самых больших глубинах океана и в высоких слоях атмосферы, в воде, почве и в воздухе и т.д. Обладая широ­ким спектром метаболического аппарата, они растут и размножаются как в присутствии кислорода, так и при его полном отсутствии, используя в качестве пищи разнообразные вещества как органической, так и неорганической природы.

Практическое использование микроорганизмов человеком началось еще с древних времен. Вна­чале это было интуитивным путем: человек научился получать из винограда вино, из молока — сыр, из муки и воды — хлеб. Впоследствии, с развитием науки, когда человек понял, кто «главный винов­ник» в этих превращениях, была развернута целая отрасль — биотехнология.

В книге марокканского ученого и популяризатора науки Альбера Сассона «Биотехнология: свершения и надежды» отмечается, что «биотехнология, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические воз­можности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Согласно определению Евро­пейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической техники позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и со­единений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Последняя включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые в настоящее время традиционные методы, а с другой — отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической про­мышленности назовем синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промыш­ленности, в области энергетики — получение метанола, этанола, биогаза и водорода, в области био­металлургии — извлечение некоторых металлов. Во второй группе отраслей биотехнология охваты­вает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бакте­рий для получения белков, аминокислот, витаминов, а также для использования их ферментов); уве­личение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекция сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изго­товление компоста, а также производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами)» [1; 12-14].

Как считают авторы монографии [2; 21, 22], «биотехнологии представляют собой разнообразные технологии и методы, включая несколько областей применения. Так, например, технологии рекомби-нантных ДНК могут применяться для производства крупномолекулярных медицинских препаратов в фармацевтическом секторе, при производстве новых видов зерновых в сельском хозяйстве, при соз­дании новых микроорганизмов, при промышленном производстве ферментов для химической про­мышленности и т.д. Все это создает сложности при определении понятия «биотехнология» и «био­технологическая техника», одновременно затрудняя создание соответствующих индикаторов и стати­стических показателей. Несмотря на это, уже сделаны определенные шаги в этом направлении.

Так, в Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) принято два определе­ния биотехнологий: «простое определение» и более широкое, опирающееся на список биотехнологи­ческого применения, или «списочное определение» биотехнологической техники. Они, по мнению экспертов ОЭСР, должны существовать как совместное понятие.

Нельзя сказать, что это понятие является исчерпывающим, но для аналитических работ и стати­стических материалов оно вполне пригодно. Экспертами ОЭСР предложен следующий «список» со­временных конвергентных биотехнологий, которые используются в сельском хозяйстве, биоэнерге­тике, биотехнологической и фармацевтической промышленности, медицине и т.д.:

• ДНК/РНК: геномика, фармакогеномика, генные датчики или генные детекторы, генная инже­нерия,DNA/RNA секвенирование / синтез и амплификация (определение первичной структуры мак­ромолекул, усиление процесса копирования ДНК/РНК, генетически выраженное профилирование и др.).
• Протеины и другие молекулы: секвенирование / синтез и конструировавие протеинов и пепти­дов, включая большие гормональные молекулы, улучшенная система доставки лекарственных препа­ратов в конкретные точки организма на основе больших молекул, протеомика, изолирование и очист­ка протеинов, сигнализация и идентификация клеточных рецепторов.
• Клеточные и тканевые культуры и их конструирование: ферментация, использующая биореак­торы, биопроцессы, биовыщелачивание, размягчение древесины с помощью лигнин-разрушающих грибков, отбеливание с помощью древоразрушающих грибков, биодесульфоризация, биологическая очистка зараженных органическими отходами почв с помощью грибков, биофильтрация и др.
• Гены и РНК-векторы: генная терапия, вирусные векторы.
• Биоинформатика: конструирование баз данных геномов, протеинового секвенирования, моде­лирования сложных биологических процессов, включая системную биологию.
• Нанобиотехнологии: инструменты и процессы, использующие нано- и микротехнологии с целью создания оборудования для изучения биосистем и использования в системах доставки лекар­ственных препаратов в организм, диагностике и пр.

Различают также используемые, особенно в животноводстве, генетические и репродуктивные инновационные биотехнологии. К репродуктивным биотехнологиям относятся технологии искусст­венного осеменения AI (Artificial insemination) и эмбрионального трансфера ET (Embrio transfer). Эти биотехнологии широко используются в сельском хозяйстве промышленно развитых стран и в мень­шей степени в развивающихся.

Достижения в молекулярной генетике предоставили возможность создания техники генной се­лекции, главным образом для борьбы с заболеваниями животных и устранения генных дефектов. Ин­новационные биотехнологии, включая технологии клонирования, трансгеноза и трансфера соматиче­ского (телесного) материала, окажут громадное воздействие на развитие животноводства и птицевод­ства в XXI в. Однако еще не полностью решены проблемы научного, политического, экономическо­го, институционального и религиозного характера, сдерживающие в определенной степени использо­вание таких биотехнологий».

Стоит отметить, что биотехнология является одним из эффективных путей индустриально-инновационного развития нашего государства, компонентом успешного и устойчивого экономи­ческого развития страны в свете реализации Стратегии «Казахстан-2050». На это акцентировал внимание Президент РК Н.А.Назарбаев в своем Послании народу Казахстана «Казахстанский путь-2050: Единая цель, единые интересы, единое будущее»: «В рамках второй и следующих пятилеток следует основать отрасли мобильных и мультимедийных, нано- и космических технологий, робототехники, генной инженерии, поиска и открытия энергии будущего» [3; 4].

Республика Казахстан обладает большим рыночным потенциалом для эффективного примене­ния биопрепаратов — нефтегазовый сектор, сельское хозяйство, животноводство и др. Сегодня соз­дан и успешно применяется целый спектр микробиологических препаратов для нужд промышленно­сти, сельского хозяйства, животноводства и охраны окружающей среды. Основное назначение био­препаратов — сокращение и отказ от использования химически вредных веществ в промышленности, сельском хозяйстве и в быту, переход на ресурсосберегающие, экологически чистые и безопасные технологии.

Интеграция и конвергенция биотехнологий, участвующих в формировании биоэкономики и биообщества

Применение человеком биотехнологий в национальном и глобальном производстве первичной продукции, здравоохранении и промышленности формирует биоэкономику и биообщество, находит отражение в становлении инновационно-технологической цивилизации ХХІ столетия. Биоэкономика вносит значительную долю в национальный и глобальный ВВП.

Ожидается, что к 2030 г. доля биотехнологий в глобальном ВВП может достичь порядка 2,7 %. Эта тенденция будет наиболее активно сопровождаться конвергенцией и синергией биотехнологий с нанотехнологиями, ИКТ (информационно-коммуникационными технологиями), когнитивными науками и технологиями, при общем росте глобального ВВП [2; 14-16].

Биотехнологии и биоэкономика, формируя биообщество, порождают набор новых социальных связей, новый социум, трансформируют социальную психологию, изменяют мышление общества, политиков и человечества в целом [2; 280].

В принципе уже сейчас наблюдается процесс интеграции и конвергенции различных направле­ний использования биотехнологий, что фактически создает фундамент формирования биообщества XXI в., инновационное биомышление, биопсихологию людей и биосоциальную психологию общест­ва (рис. 1).

Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая интеграцию и конвергенцию биотехнологий, участвующих в формировании биоэкономики и биообщества (по материалам: Arundel A., Sawaya D. The Bioeconomy, 2030. Designing the Policy Agenda. OECD, Int. Programme. 2009 Jupiter Images Corporation/Imagine Ltd. [4; 24])

Изменение в биомышлении в значительной степени связано с проблемой изменения природы, в том числе и самого человека как важнейшей составляющей этой природы и биосферы, а также с проблемой устойчивости развития глобальной биоэкономики и инновационной цивилизации XXI в.

Проблемы и перспективы производства и потребления первичной биопродукции

Как сейчас, так и в перспективе производство первичной биопродукции будет напрямую связано с повышением эффективности функционирования природных систем жизнеобеспечения человека, в том числе посредством применения биотехнологий.

В перспективе биотехнологии в сельском хозяйстве будут играть исключительно важную роль, имея в виду значительный рост населения Земли и, следовательно, рост спроса на первичную биопродукцию. Если в настоящее время население Земли составляет около 7 млрд человек, то, по прогнозам экспертов, население мира к 2050 г. увеличится до 9,2 млрд человек [5; 3].

Значит, у нас нет другого выбора, кроме как продолжать активизировать производство продовольствия. Но темпы роста основных зерновых культур снижаются. Фермеры сталкиваются с рядом пересекающихся проблем: усиление конкуренции за землю и воду, рост цен на топливо и удобрения, влияние изменения климата.

Кроме того, площадь пашенных земель в мире неуклонно сокращается. Если в середине прошло­го столетия она составляла около 1,5 млрд га, то к настоящему времени не более 1,3 млрд га. Наибо­лее крупное изъятие пашенных земель из сельскохозяйственного оборота произошло в таких странах, как Китай, Индия, Россия. Только за последнее десятилетие в Китае площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 62 млн га, из них более 8 млн га — это потери пашенных земель, в Индии — соответственно 45 и 11 млн га, в России — 35 и 17 млн га. Между тем потенциал продовольственных рынков этих стран в значительной степени определяется импортом сельскохозяйственной продукции [6; 128].

Проблема воспринималась бы не столь болезненно, если бы в мире наблюдался рост объемов производства продовольствия, хотя бы адекватно росту урожайности сельскохозяйственных культур. Однако на сегодняшний день наблюдается иная ситуация.

В сложившихся условиях существующая парадигма интенсивного производства сельхозкультур не может отвечать вызовам нового тысячелетия. Безусловно, интенсивное производство сельскохо­зяйственных культур помогает частично решить проблемы снабжения населения Земли продовольст­вием и развивать новые сельские районы. Однако эти достижения имеют негативные последствия для окружающей среды. Во многих странах десятилетия интенсивной обработки привели к деградации плодородных земель и обеднению грунтовых вод, увеличению количества вредителей, снижению биоразнообразия и загрязнению воздуха, почвы и воды.

Интенсивно использовавшиеся химические удобрения для поднятия урожайности и пестициды для защиты растений от вредных насекомых вызывают к тому же серьезные побочные эффекты: рез­кий всплеск аллергических заболеваний населения, особенно в развитых странах, загрязнение хими­катами гидросферы и литосферы, т.е. подсистем жизнеобеспечения человечества. Тем не менее «химизация» биосферы и организма человека продолжается. Долгосрочные последствия ее для населения Земли и сельского хозяйства в целом непредсказуемы. Поэтому для человечества ХХІ в. в этом контексте логично встает вопрос о необходимости широкого применения биотехнологий в сельском хозяйстве.

Биотехнологии позволяют восстановить плодородие земли, увеличить урожайность сельскохо­зяйственных культур на 20-30 %. Применение микробиологических препаратов в комплексе с совре­менной агротехникой позволяет полностью использовать не только потенциал земли, но и биологи­ческий потенциал самих растений. Микробиологические препараты не только позволяют снизить применение химических препаратов, но и дают значительную прибавку к урожаю, на 20-40 %, эколо­гически чистого, с лучшими качественными и вкусовыми характеристиками, продукта.

Полученный из отходов других производств (нефтегазовая, химическая и пищевая промышлен­ность) кормовой белок представляет собой смесь биомассы бактерий, экологически чистый и безо­пасный при использовании, с высоким содержанием протеина (38-50 %), имеет богатый набор вита­минов и незаменимых аминокислот, характеризуется высокой усвояемостью сельскохозяйственными животными, птицей и рыбой. Он эффективно заменяет в кормах шроты, мясокостную муку, кормо­вые дрожжи, повышает среднесуточные привесы живой массы, обеспечивает экономию кормов, сни­жает падеж.

Для повышения эффективности сельского хозяйства в животноводстве, как и при производстве зерна и других сельскохозяйственных культур, в промышленно развитых странах уже активно при­меняются новейшие инновационные биотехнологии, включая технологии создания генно-модифицированных организмов (ГМО).

Помимо давления на экосистемы и биосферу, в целом это приводит к росту объемов сельскохозяйственного производства. Однако отдаленные последствия употребления ГМО пока не известны. Хотя в мировой практике еще не было ни одного случая, свидетельствующего о негатив­ном последствии употребления генно-модифицированных продуктов. Тем не менее необходимо же­стко контролировать ввоз и распространение ГМО и продуктов на их основе. К сожалению, на сего­дняшний день в нашей стране систематического мониторинга ГМО не существует. Пока мы вынуж­дены «верить на слово» производителям. Именно поэтому Казахстану нужны современные лаборато­рии по мониторингу ГМО, оценке их влияния на окружающую среду и человека [7; 7].

На сегодняшний день в широком ряду технологий современного сельского хозяйства большое внимание уделяется биотехнологии капсулирования семян.

Термин «капсулированные семена» довольно обобщенный (включает дражированные и инкру­стированные семена). Под ним понимают покрытие семян полимерной оболочкой (пленко­образующим составом) с различными микродобавками для повышения всхожести семян и устойчивости растений.

Биотехнология капсулирования семян включает подготовку семенного материала (очистку от примесей, калибрование на посевные фракции, предварительное шлифование откалиброванных се­мян, сортирование по аэродинамическим свойствам и плотности), приготовление клеящих растворов, дополненных питательными и защитными составами, обработку и сушку семян [8; 54].

В целом биотехнология капсулирования семян может быть применена к широкому ряду сель­скохозяйственных культур Казахстана. Ее широкое внедрение обеспечит получение экологически чистой продукции, импортозамещение сельхозпродукции, увеличение прибыли хозяйств, улучшение финансового положения сельского населения.

Медицинские биотехнологии

В здравоохранении биотехнологии применяются в терапии, диагностике, фармогенетике, функциональных продуктах питания и нутрицевтике, а также в медицинском оборудовании. Некоторые биотехнологии, например, такие как биофармацевтика и «in vitro» диагностика, уже коммерциализированы и имеют выход на мировой рынок.

Как считают специалисты, экспериментальная биотерапия с использованием биотехнологий охватывает клеточный инжиниринг, терапевтическую вакцинацию, исследования в области стволо­вых клеток, литических вирусов, генов и др. Надо сказать, что эти направления определяются в ОЭСР как «экспериментальные», так как они не получили еще широкого маркетингового одобре­ния со стороны государственных органов стран ОЭСР, ответственных за подготовку и принятие со­ответствующих юридических решений в области медицины. Вместе с тем именно эти направления находятся на самом передовом крае науки в области медицинских биотехнологий [2; 274].

В настоящее время медицинские биотехнологии во все большей степени используются биотехнологическими фирмами при разработке, тестировании и производстве молекулярной фармацевтической продукции.

Биоэкономика и биоэнергетика

В соответствии с базовым сценарием Международного энергетического агентства мировой спрос на первичные энергоресурсы до 2030 г. будет расти на 1,5 % ежегодно. Исходя из этих прогнозов и экологических требований многие развитые, а также и развивающиеся страны приняли соответствующие стратегии по производству и использованию в энергетике различных видов биото­плива, что, по-видимому, будет в перспективе являться одной из важнейших составляющих биоэко­номики.

Как известно, возобновляемая биомасса может быть получена из первичных источников, таких как продовольственное зерно, трава, деревья и морские водоросли, а также из отходов домашних хо­зяйств, промышленности и сельского хозяйства. Различные типы технологических биопроцессов мо­гут преобразовывать эти первичные материалы в биотопливо. В результате будет постепенно форми­роваться сектор производства биотоплива в рамках современной биоэкономики [2; 267].

В настоящее время в различных стадиях решений и коммерциализации находится несколько технических процессов, направленных на получение биотопливных материалов различной природы для автомобильного транспорта, сельскохозяйственного производства, для получения электроэнергии и тепла [9; 86]:

• биоэтанол из крахмалосодержащего сырья;
• биодизель на основе использования растительных масел;
• биогаз из различных отходов органической природы;
• биобутанол, получаемый из смеси ацетона и бутанола на основе использования зерна.

1. Биоэтанол. Как известно, основное нефтехимическое сырье получают из нефти. В последнее время уменьшение природных ресурсов заставляет специалистов в области химии искать альтерна­тивные источники сырья. На сегодняшний день более перспективным источником является биоэта­нол, получаемый из биомассы. В отличие от угля и природного газа биоэтанол является возобнов­ляемым источником, с практически неограниченными запасами, который отвечает современным эко­логическим требованиям к химическому сырью, из которого получают широкий спектр промежуточ­ных и целевых продуктов крупнотоннажного нефтехимического и тонкого органического синтеза [10-12].

Биоэтанол является одним из самых динамично развивающихся продуктов сельского хозяйства. В ближайшей перспективе рост мирового рынка биоэтанола составит около 10 % в год [13].

Сырьём для производства биоэтанола могут быть различные сельскохозяйственные культуры, а также отходы лесной, деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, полевод­ства и животноводства: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень, которые содержат в своем составе крахмал или сахар [14].

Использование биоэтанола в топливных целях во многом ограничено, главным образом из-за его высокой гигроскопичности и возможности вымерзания растворенной воды при понижении темпера­туры в холодных районах. В северных странах этанол смешивают с горючим и используют в качестве присадки к бензинам (5-15 %). В настоящий момент перспективным считается дальнейшая перера­ботка этанола в органические вещества и их смеси, обладающие более высокими топливными харак­теристиками, такими как удельная энергоемкость, низкая коррозионная активность, давление насыщен­ных паров и т.д. Таким образом, повышается степень соответствия произведенного биотоплива реаль­ным маркам нефтяного топлива и, как следствие, его конкурентоспособность на мировых рынках [15; 63].

Необходимо отметить, что до сих пор большинство проектов по переработке этанола еще не имеют промышленной реализации. Однако исследования в этом направлении ведутся как с целью получения полупродуктов нефтяного синтеза, так и для производства чистого топлива.

2. Биодизель. С химической точки зрения биодизель — это смесь сложных эфиров одноосновных карбоновых кислот. Биодизель получают путем переэтерификации масла реакцией с метиловым спиртом. В результате реакции образуются эфиры жирных кислот, а также побочные продукты — глицерин, растворимые поташ и мыло. Биодизель можно получать в проточной СКФ-установке (сверхкритическая флюидная установка). При этом технологический процесс упрощается, а скорость реакции переэтеризации масел значительно сокращается [16; 66].

Согласно прогнозно-аналитическим расчетам Международного энергетического агентства (In­ternational Energy Agency, IEA) производство биоэтанола и биодизеля в Европейском союзе, США, Канаде и в других странах, подписавших Киотский протокол по выбросам парниковых газов в атмо­сферу, будет неуклонно расти до 2020 г. (рис. 2).

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоя­тельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциа­лом, биодизель имеет следующие преимущества [17; 56]:

• не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;
• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);
• экологически чистый вид топлива, обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических аг­регатах;
• увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно уве­личивает ресурс двигателя;
• имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование от­носительно безопасным;
• источником являются возобновляемые ресурсы.
• Производство биодизеля легко организовать, в том чисте в условиях небольшого фермерского хозяйства. При этом применяется недорогое оборудование. Сегодня биодизель используется во многих странах мира (Германии, Австрии, Чехии, Франции, Италии, Швеции, США).

Биогаз. В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка органических сель­скохозяйственных и бытовых отходов метановым брожением, с получением биогаза, содержащего около 70 % метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация био­массы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количе­ство топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбражива­ния в специальных реакторах — метантэнках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может дос­тигать 90 % той, которой обладает исходный материал. Другое достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микро­организмов, чем в исходном материале. Производительность биогазовой установки зависит не только от вида отходов, но и от объема перерабатываемой массы. Наиболее выгодны установки большого объема. Но для домашнего хозяйства достаточно установки с объемом реактора 4 кубометра.

Считается, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 ку­бометров на один квадратный метр жилой площади, суточное потребление для подогрева воды для 100 голов крупного рогатого скота — 5-6 кубометров, для сушки одной тонны сена влажностью 40 % — 100 кубометров, одной тонны зерна — 15 кубометров, для получения 1 кВтч электроэнер­гии — 0,4-0,7 кубометра [18; 27].

Неоспоримое преимущество биогаза заключается в децентрализованном производстве электро­энергии и тепла.

4. Сооружение биоэнергетических установок (БЭУ). БЭУ осуществляют биоконверсию органи­ческих отходов путем анаэробной ферментации, позволяют полностью перерабатывать отходы не только животноводства, но и полеводства, и коммунально-бытового хозяйства сельских населенных пунктов. При этом, в отличие от существующих способов аэробной очистки стоков, получаются ка­чественные обеззараженные удобрения и биогаз (метан), который позволяет полностью или частично заменить жидкое и газообразное топливо путем использования его в теплогенераторах, печах и дви­гателях внутреннего сгорания [9; 88].

К оценке эффективности БЭУ следует подходить с народнохозяйственной точки зрения, когда эффект экономии органического топлива, повышения урожайности из-за внесения обеззараженного удобрения и улучшения качества окружающей среды оценивается не с позиций отдельного хозяйст­ва, а с учетом интересов всей экономики и общества, для которых энергетическая, продовольственная и экологическая проблемы представляют первостепенную важность.

Применение биотехнологий в целях защиты окружающей среды на предприятиях горнодобывающего комплекса

В ряду наиболее остро стоящих мировых проблем XXI в. находится состояние окружающей сре­ды. Здоровью миллионов людей угрожает загрязнение почвы, воды и воздуха, вызываемое деятель­ностью различных предприятий, в том числе и горнодобывающих.

Воздействие каждого техногенного фактора горного производства на окружающую среду, в ча­стности на биоту, проявляется в различных формах. Так, например, минеральная пыль, выброшенная из шахт и штолен и осевшая на листовые пластины растений, меняет условия их жизнеобеспечения за счет уменьшения продуктивности процесса фотосинтеза. Взрывная пыль, содержащая в себе примеси тяжелых металлов, привносит новые элементы в химический состав почвы, тем самым снижая ее продуктивные качества как субстрата для роста растений и жизнедеятельности микроорганизмов. Многочисленные хвостохранилища обогатительных фабрик и отвалы вскрышных пород являются не только источником техногенной пыли, но и угрозой естественного равновесия природной среды из-за огромной площади покрытия. В этой связи необходимо восстановление на большей части территории планеты естественной биоты в масштабах, достаточных для сохранения ее способности к саморегу­ляции окружающей среды. Концепция биологической регуляции исходит из необходимости ограни­чения пространственного развития техносферы и установления пределов биосферных изменений и рекультивации ныне нарушенных участков геологической среды. Иными словами, следуя этой кон­цепции, человечеству необходимо вернуться в выделенный ему законами устойчивой биосферы ко­ридор для развития и принять все меры для восстановления нарушенного равновесия [19; 58].

В условиях Казахстана усиление экологических рисков сопровождается ощутимым ростом воз­действия загрязнений на его экономику через снижение здоровья, сокращение продолжительности жизни населения и его трудового потенциала, препятствующих росту технологической мощи нацио­нальной экономики. Это подтверждает непреходящую актуальность этой проблемы для Казахстана и необходимость ее решения на основе мер противодействия негативным процессам. Перспективы пе­рехода экономики к природосберегающему развитию диктуют необходимость изучения мировых тенденций в обеспечении эффективного природосбережения с использованием потенциала высоко­экологичных технологий для продвижения по этой траектории развития.

Выход Казахстана на этот перспективный путь требует изучения мировых тенденций и исполь­зования опыта стран по созданию экологически чистых производств и применению безопасных для экологии технологий. Так, с учетом актуальности проблем защиты окружающей среды в республике, особенно в регионах активной добычи углеводородов и их переработки, а также в сфере деятельности горнорудных предприятий, перспективным для решения экологических проблем может быть приме­нение разработок в области биотехнологий [20; 24].

Одной из основных экологических проблем на предприятиях нефтегазового комплекса являются аварии на нефтепроводах в связи с их износом, старением, а также при перевозках нефти и нефтепро­дуктов различными видами транспорта. Кроме того, в последние годы участились аварии на трубопро­водах вследствие несанкционированных врезок в нефте- и продуктопроводы с целью хищения нефте­продуктов, что служит причиной аварийных локальных загрязнений почвы площадью 1-2 га и объемом нефтезагрязненной почвы от 3000 до 10000 м³ с нефтесодержанием от 100 до 400 г/кг. Создавшееся по­ложение диктует необходимость принципиально новых подходов к ликвидации аварийных разливов на почве, разработки научно-методических основ, приемов и технологий ее реабилитации.

Почвы и грунты считаются загрязненными, когда концентрация нефтепродуктов в них достигает такой величины, при которой начинаются негативные экологические изменения в окружающей среде, а именно нарушается экологическое равновесие в почвенной экосистеме, гибнет почвенная биота, падает продуктивность или наступает гибель растений, происходит изменение морфологии, водно-физических свойств почв, снижается их плодородие, создается опасность загрязнения подземных и поверхностных вод в результате вымывания нефтепродуктов из почвы или грунта и их растворения в воде [21; 4].

Использование биотехнологий в нефтедобывающих регионах страны позволяет решить пробле­мы борьбы с утечкой нефти и ее последствиями. Кроме того, технологии фито- и биоремедиации мо­гут способствовать удалению тяжелых металлов и других элементов из почвы за счет аккумуляции металлов растениями, являясь альтернативой применяемым сегодня методам восстановления почв, например, их экскавации и промывки в результате относительно меньших затрат. Преимуществом биоремедиации являются как щадящее воздействие на окружающую среду, так и возможность точно­го и целенаправленного ее применения, высокая скорость усвоения и переработки микроорганизмами загрязнителей в безвредные для окружающей среды продукты жизнедеятельности бактерий, а также экологическая и гигиеническая безопасность.

На сегодняшний день разработками в области биоремедиации занимается Национальный науч­ный центр биотехнологии РК, участвующий в проведении полевых испытаний в ходе реализации проекта по очищению и восстановлению почв от нефти и нефтепродуктов.

Одной из важнейших проблем в природоохранной деятельности является защита атмосферы от загрязнений, которые в значительных масштабах выбрасываются промышленностью, энергетически­ми производствами и транспортом.

Основное загрязнение атмосферы в Республике Казахстан связано с выбросами от предприятий цветной металлургии, теплоэнергетики, черной металлургии, транспорта. Загрязнение воздушного бас­сейна обусловливается также разработкой старых и освоением новых месторождений углеводородного сырья, что приводит к увеличению загрязнения атмосферы сероводородом, меркаптанами. Сжигание на факелах попутного газа сопровождается выбросом в атмосферу большого количества парниковых га­зов, оксидов серы и азота, вокруг месторождений формируется повышенный тепловой фон.

Реальность угроз от загрязнения атмосферного воздуха сказывается на ухудшении здоровья на­селения и деградации окружающей среды. Решение этих проблем требует изменений в национальной и международной инновационной политике, широкого применения биотехнологий. Универсальность этих технологий заключается в том, что существует огромное число разновидностей микроорганиз­мов, которые могут превращать широкий спектр органических и неорганических компонентов отхо­дящих газов в безвредные вещества.

Как показывает исследование [22; 58-61], в настоящее время существует три основных метода биологической очистки отходящих газов — обработка потоков в биофильтрах, капельных биофильт­рах и биоскрубберах (табл.).

Биофильтры принципиально отличаются от поглощающих химических фильтров, поскольку они не сорбируют газы, а подвергают их переработке до безвредных веществ (вода и углекислоты). Био­фильтры практически постоянно остаются чистыми, не содержат вредных веществ. Процесс осуществляется путем продувки через фильтр загрязненного воздуха.

Применение биоскрубберов предполагает значительно большие инвестиции. Несмотря на то, что в республике уже имеется опыт использования биоскрубберов для устранения паров растворителей на заводе Айнур, необходимость в наукоемких исследованиях, большие капитальные затраты делают возможные приложения этой технологии на сегодня проблематичными. Подобный вывод можно сделать и в отношении к капельной биофильтрации, технология которой сейчас находится в стадии исследования и имеются лишь немногие пилотные и промышленные установки.

В заключение хотелось бы особо подчеркнуть, что уже в ближайшем будущем разработка и использование инновационных биотехнологий могут внести весомый вклад в решение таких вопросов, как обеспечение продовольствием растущего населения Земли, принципальное улучшение медицины, предотвращение деграции среды обитания и глобального изменения климата, смягчение кризиса, исчерпание ископаемых ресурсов. 

Список литературы

1. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды: Пер. с англ. / Под ред., предисл. и доп. В.Г.Дебабова. — М.: Мир, 1987. — 411 с.
2. Казанцев А.К., Киселев В.Н., Рубвальтер Д.А., Руденский О.В.NBIC-технологии: Инновационная цивилизация ХХІ века. — М.: ИНФРА-М, 2014. — 384 с.
3. Послание Главы государства Н.А.Назарбаева народу Казахстана «Казахстанский путь-2050: Единая цель, единые интересы, единое будущее» // Мысль. — 2014. — № 2. — С. 2-9.
4. ArundelА., Suwaya D. The Bioeconomy Designing the Policy Agenda. OECD, Int. Futures Programme. 2009 Jupiter Images Corporation / Imagine Ltd. — P. 24.
5. Момыналиев К. Биотехнологии для чистых продуктов // Казахстанская правда. — 2012. — 4 окт.— С. 3.
6. Порунов А.Н. О современной конъюнктуре мирового рынка продовольствия и стратегии «биоэтанолизации» России // Маркетинг в России и за рубежом. — 2008. — № 3(65). — С. 124-132.
7. Раманкулов Е. Перспективы отечественной биотехнологии // Казахстанская правда. — 2007.— 1 февр. — С. 7.
8. Утеулин К. Технология капсулирования семян // Промышленность Казахстана. — 2010. — № 4 (61). — С. 54-56.
9. Арутюнов А.Л. О перспективах использования основных и альтернативных видов топлива в сельскохозяйственном производстве России // Проблемы прогнозирования. — 2010. — № 3. — С. 82-92.
10. Durre P. Biobutanol: an attractive biofuel // Biotechnol. J. — 2007. — 2, No. 12. — P. 1525-1534.
11. Festel G.W. Biofuels — economic aspects // Chem. Eng. Technol. — 2008. — 31, No. 5. — P. 715-720.
12. Huber G.W., Corma A. Synthesis of transportation fuels biomass // Chem. Rev. — 200 — Vol. 106, No. 9. — P. 4044­4098.
13. http://agrogold. ru/bioetanol_proizvodstvo_bioetanola.
14. Linping S., Xinwen G., Min L., Xiangsheng W. Ethylation of coking benzene over nanoscale HZSM-5 zeolites: Effects of hy-drothermal treatment, calcination and La₂O₃ modification // App. Catalysis. A: General. — 2009. — 355, No. 1-2. — P. 184­191.
15. Досумов К., Тунгатарова С., Ергазиева Г., Шайзадаулы Е. Каталитическая конверсия биоэтанола // Промышленность Казахстана. — 2012. — № 4 (73). — С. 62-65.
16. Шаповалов Ю. Экологически безопасные сверхкритические технологии // Промышленность Казахстана. — 2011. —№ 4(67). — С. 64-67.
17. Утеулин К. Галофиты — сырьевая база биотоплива // Промышленность Казахстана. — 2008. — № 6(51); 2009. — № 1(52). — С. 56-57.
18. Сакенов М. Биоэнергетика // Промышленность Казахстана. — 2004. — № 3 (24). — С. 26-30.
19. Жалгасулы Н., Черний Г., Ким В., Исмаилова А. Биотехническая рекультивация техногенных образований // Про­мышленность Казахстана. — 2011. — № 2 (65). — С. 58-60.
20. Барлыбаева Н. Мировые тенденции в развитии природосберегающих технологий // Экономика и статистика. — 2011.№ 1. — С. 22-26.
21. Тасекеев М.С. Достижения биотехнологии в нефтяной и горно-металлургической отрасли (обзорное исследование).
22. Алматы: НЦ НТИ, 2 — 100 с.
23. Винаров А.Ю., Ипатова Т.В. Консорциум бактерийErwiniaspeciesиArthrobactersimplex— деструктор нефтепро­дуктов и органического субстрата в растительном сырье и отходах животноводства // Экологические системы и приборы. — 2003. — № 10. — С. 58-61.