МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Конспект лекцій

з дисципліни:

«Екобіомоніторинг та біобезпека»

Львів 2012

1. Мета та завдання дисципліни, її місце в навчальному процесі

1.1 Мета викладення дисципліни

Дисципліна «Екобіомоніторинг та біобезпека» є спеціальним курсом для студентів спеціальності «Фармацевтична біотехнологія», метою якої є ознайомити студентів з екологічними проблемами біотехнологічної промисловості та методами очистки шкідливих викидів та відходів з метою охорони навколишнього середовища.

1.2 Завдання вивчення дисципліни

В результаті вивчення дисципліни фахівець повинен знати:

теоретичні основи курсу; методи і технологію очистки газових викидів і стічних вод біотехнологічних виробництв, утилізацію твердих відходів і активного мулу систем очисних споруд.

Підготовлений фахівець повинен вміти:

проводити та організовувати процеси очистки викидів та відходів від шкідливих речовин; вибирати найоптимальніші технологічні схеми з метою зменшення шкідливих відходів; удосконалювати існуючі схеми виробництв з метою створення маловідходних технологій.

1.3 Перелік дисциплін, знання яких необхідно студенту для вивчення курсу

1. Загальна мікробіологія та вірусологія.

2. Хімія природних біологічно активних сполук.

2. Зміст дисципліни

2.1. Лекції – 16год.

№ ч/ч	Найменування розділів, тем	К-сть годин
1	Лекція 1. Вступ. Предмет і завдання курсу «Екобіомоніторинг та біобезпека». Вплив життєдіяльності людини на навколишнє середовище.	2
2	Екомоніторинг. Лекція 2. Проблема чистого довкілля. Моніторинг навколишнього середовища. Екогенетичний моніторинг.	2
3	Екобіомоніторинг довкілля Лекція 3. Типи збурення екосистеми. Загальний поділ джерел забруднень. Фактори техногенного забруднення.	2
4	Лекція 4. Джерела та типи забруднення довкілля. Нормування забруднень	2
5	Відновлення екосистеми Лекція 5. Система знешкодження та утилізації відходів. Порядок визначення методів для знешкодження та утилізації відходів. Промислові та побутові відходи міст та агропромислового комплексу.	2
6	біотехнологічні методи захисту довкілля Лекція 6. Напрями екобіотехнологічного захисту довкілля. Біологічні методи промислової мікробіології в екобіотехнології. Біологічні методи очищення та контролю стоків. Біопроцеси та типи біоочищувачів забруднення. Біотестування хімічних речовин (забруднювачів)	2
7	Лекція 7. Селекція штамів - деструкторів забруднювачів. Фототрофи в системі моніторингу забруднення водойм.	2
8	Біоочищення стічних вод. Лекція 8. Показники забруднення води. Групи стічних вод залежно від складу домішок. Хімічний склад домішок стічних вод. Категорії промислових відходів стічних вод. Хімічні,фізико-хімічні, біотехнологічні методи очищення	2
	Всього	16

Лекція 1. Вступ.

Предмет і завдання курсу «Екобіомоніторинг та біобезпека».

Вплив життєдіяльності людини на навколишнє середовище.

Екомоніторинг.

Лекція 2. Проблема чистого довкілля.

Моніторинг навколишнього середовища.

Екогенетичний моніторинг.

Проблема чистого довкілля

Проблема чистого довкілля, збереження різноманітного тваринного та рослинного світу в тому числі, є актуальною завжди, як і проблема збереження здоров’я людини, народження здорових повноцінних дітей, незважаючи на природні катаклізми, техногенні катастрофи, зростання забруднення довкілля зумовлене трудовою діяльністю людей, щоденним використанням та споживанням людьми продуктів харчування, засобів особистої гігієни та життєво необхідних речей, а також проведення війн, неконтрольованих досліджень та випадковостей, тощо.

Забруднення навколишнього середовища в багатьох регіонах досягло критичної межі в результаті природних стихій та недосконалості науково-технічного прогресу суспільства. Спостереження за чистотою довкілля, контроль показників чистоти повітря, води, ґрунту, промислових та побутових приміщень, харчових продуктів, виробничих технологій та викидів, а також рекомендації до відновлення безпечного середовища, повинні нагально вирішуватися державними службами екомоніторингу з використанням новітніх досягнень науки і техніки.

У результаті промислової, сільськогосподарської та побутової діяльності людини виникають різні зміни стану і властивостей навколишнього середовища, більш помітні межі природної продуктивності біосфери – виснажуються природні ресурси, джерела енергії, чистої води і повітря.

Щорічна витрата води на земній кулі з усіх видів водопостачання складає 3300-3500 км³, з них 70% використовується в сільському господарстві. Дефіцит прісної води є світовою проблемою сьогодення. Зростають потреби промисловості і сільського господарства у воді, які примушують учених всього світу шукати різноманітні засоби для її вирішення.

Проблему екології довкілля необхідно вирішувати в масштабах не однієї країни чи групи країн, а всієї Земної кулі. Шкідливі антропогенні забруднення, що виробляються в індустріально розвинених регіонах та країнах, в результаті природної циркуляції водних і повітряних мас розповсюджуються по всій території Землі, проникають в глибини океанів, досягають стратосфери.

Найважливіша роль в питаннях захисту і охорони навколишнього середовища належить екології, а у сьогоднішніх умовах економічного розвитку – екологічній біотехнології. Біотехнологія дозволяє вирішувати ряд екологічних проблем, включаючи захист навколишнього середовища від промислових, сільськогосподарських і побутових відходів, деградацію токсикантів, що потрапили в середовище, а також сама створює маловідходні промислові процеси отримання харчових і лікарських речовин, кормів, мінеральної сировини, енергії.

Нинішню екологічну ситуацію в Україні можна охарактеризувати як кризову, що формувалася протягом тривалого періоду через нехтування об'єктивними законами розвитку і відтворення природно-ресурсного комплексу України. Відбувалися структурні деформації народного господарства, за яких перевага надавалася розвитку сировинно-видобувних, найбільш екологічно небезпечних галузей промисловості.

Економіці України притаманна висока питома вага ресурсо- та енергоємних технологій, впровадження і розвиток яких здійснювалися найбільш "дешевим" способом – без будівництва відповідних очисних споруд. Це було можливим за відсутності ефективно діючих правових, адміністративних та економічних механізмів природокористування та без урахування вимог охорони довкілля.

Ці та інші чинники, зокрема, низький рівень екологічної свідомості суспільства, призвели до значної деградації довкілля України, надмірного забруднення поверхневих і підземних вод, повітря та землі, накопичення у дуже великих кількостях шкідливих відходів виробництва, у тому числі високотоксичних. Такі процеси тривали десятиріччями і зумовили різке погіршення стану здоров'я людей, зменшення народжуваності та збільшення смертності, що загрожує вимиранням та біологічно-генетичною деградацією народу України.

Винятковою особливістю екологічного стану України є те, що локальні екологічні ситуації поглиблюються великими регіональними кризами. Чорнобильська катастрофа з її довготривалими медико-біологічними, економічними та соціальними наслідками спричинила в Україні ситуацію, яка наближається до рівня глобальної екологічної катастрофи.

Сучасний рівень очищення стічних вод такий, що навіть у водах, що пройшли біологічне очищення, вміст нітратів і фосфатів достатній для інтенсивного евтрофікування водоймищ - збагачення водоймища біогенами, котрі стимулюють зростання фітопланктону. Від цього вода стає каламутною, гинуть бентосні рослини, знижується концентрація розчиненого кисню, гинуть молюски і риба, що мешкає на глибині. У багатьох водних об'єктах концентрації забруднюючих речовин перевищують гранично допустимі концентрації (ГДК), встановлені санітарними і рибоохоронними правилами та нормами.

Забруднення водних екосистем відбувається в результаті викиду промислових стічних вод, а також викидів двигунів річкових та морських суден. Особливу небезпеку складає масове забруднення водних екосистем нафтопродуктами внаслідок морських аварій.

Відсутність організованих скидів неочищених стічних вод у водойми і водотоки сприяє забрудненню водних джерел, а відтак і ґрунтів, що має винятково негативний вплив на здоров`я населення та стан довкілля.

У ряді регіонів України висока концентрація хімічних та нафтохімічних виробництв призвела до надто високого рівня забруднення джерел водопостачання. У відкриті водойми хімічні підприємства скидають щорічно 70 млн. куб. метрів неочищених або недостатньо очищених стоків.

Потенційним джерелом забруднення водних ресурсів і ґрунту є накопичувачі стічних вод (поля фільтрації, ставки-випарювачі тощо), що передбачають їх очищення.

Безумовно, найбільшими забруднювачами довкілля є виробництва, які застосовують технології з канцерогенною дією.

На сьогоднішній день відоме велике коло антропогенних об`єктів забруднення навколишнього середовища, серед який найшкідливішими є виробництва, що використовують технології з більшим чи меншим ступенем канцерогенності. Серед них найбільшу групу становлять виробничі процеси, пов`язані з виділенням поліциклічних ароматичних вуглеводнів (ПЦАВ), зокрема, бензпірену (БП): коксохімічні, металургійні, нафтопереробні, нафтохімічні заводи, вуглебрикетні фабрики, алюмінієві та електродні заводи, підприємства з випуску будівельних матеріалів.

Найбільш вивчені джерела канцерогенних забруднень - коксохімічні, металургійні, нафтопереробні, нафтохімічні заводи, вуглебрикетні фабрики, алюмінієві та електродні заводи, підприємства з випуску будівельних матеріалів.

При тестуванні довкілля 3,4-бензпірен може слугувати індикатором на наявність ПЦАВ у продуктах згоряння.

До основних антропогенних забруднювачів, які викликають регіональні або глобальні зміни атмосфери, можна віднести: оксид вуглецю СО, оксид сірки (IV) SO₂, оксиди азоту NO_x, галогенорганічні сполуки, вуглеводневі сполуки, особливо поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПЦАВ), важкі метали, аерозолі, азбест тощо.

Дослідження доступних рослинам форм металів показали, що в досліджуваних ґрунтах (в радіусі 7 км від підприємства кольорової металургії) формуються техногенні аномалії свинцю, цинку, кадмію і міді, а викиди в повітря важких металів осідають у вигляді пилу на землю і рослини на відстані 10-40 км від джерела забруднення.

При цьому хімізація сільського господарства, зокрема, застосування мінеральних добрив та пестицидів може підсилювати негативну дію канцерогенів та важких металів, сприяти виникненню ряду небажаних фізичних і біологічних процесів в ґрунті. Встановлено, що на кожний гектар орної землі припадає 124 кг поживних речовин, 391 кг меліорантів і 4,6 т органічних добрив. Спостереження вчених доводять, що розпилювані пестициди та інсектициди тільки в кількості приблизно 1% потрапляють за призначенням, а решта забруднюють повітряний басейн, ґрунт і водойми.

Наприклад, ПЦАВ бенз(а)пірен виявлено в ґрунтах різних районів Земної кулі, включаючи, як густонаселені так і малонаселені місця. При цьому вміст його у ґрунтах сільської місцевості різних кліматологічних регіонів Східної Європи, віддалених від міст і промислових центрів коливається в межах 0,1-22,5 мкг/кг ґрунту.

Нітрати можуть накопичуватися у рослинах в результаті застосування надмірної кількості міндобрив, які забруднюють ґрунти та водойми. Надмірне застосування міндобрив, зокрема азотних, приводить до підвищення забрудненості рослинної продукції речовинами з канцерогенною дією, зокрема, такими як нітрозосполуки і їх похідні. За останні роки було встановлено велику залежність між вмістом канцерогенів в ґрунтах і сільськогосподарських культурах вирощених на них.

Масштаби біологічних процесів для вирішення природоохоронних завдань можуть бути насправді приголомшуючими. Екологія і біотехнологія взаємодіють як через продукти виробничої діяльності, які повинні бути екологічно безпечні для здоров’я людини та чистоти довкілля, так і через технології, які повинні забезпечувати екочистоту довкілля та його відновлення у разі забруднення біосфери. В цілому це сприяє екологізації антропогенної діяльності і виникненню гармонійніших відносин між суспільством та природою, необхідне лише фахове спостереження за дотриманням належної екоповедінки людини.

Моніторинг середовища

Моніторинг середовища - система стандартних (однорідних, порівняльних) вимірів, оцінки та прогнозування стану природного середовища і змін, які в ньому відбуваються. Він охоплює виміри обсягу забруднення повітря (пилом, оксидами азоту, двооксидами сірки), води і ґрунту (пестицидами, важкими металами), силу шуму та здійснюється в місцевому, регіональному і світовому масштабах.

З точки зору екобіотехнології важливими є екогенетичний моніторинг популяцій та екобіомоніторинг довкілля.

Процедурну частину моніторингу зображають у вигляді ланцюга:

вимірювання - аналіз - описання - моделювання - оптимізація.

Аналіз стану здоров`я населення або його окремих груп стає обов`язковим елементом діяльності санітарно-епідеміологічної служби та основою для створення системи управління станом здоров`я у зв`язку з факторами навколишнього середовища.

У відповідності з Європейською концепцією “Здоров`я для всіх до 2000 р.” держави повинні мати належні механізми, необхідні для моніторингу, оцінки та боротьби з небезпечними для здоров`я факторами навколишнього середовища, які виявляють загрозу для населення.

Створення системи глобального моніторингу (GEMS) було рекомендовано на конференції ООН з охорони навколишнього середовища у 1972 р у Стокгольмі.

Особливу тривогу викликають сполуки, які циркулюють в оточуючому середовищі і легко включаються в природні ланцюги типу “повітря - вода - ґрунт - рослини – тварини – людина”.

Оцінка виробничих процесів та, зокрема, лімітування виробничих канцерогенів здійснюються у 9-ти країнах Європи, Європейському економічному співтоваристві, Японії та США. Більше 41 країни мають офіційні списки шкідливих речовин, вміст котрих у виробничому середовищі лімітовано. Проте, існують великі розбіжності між країнами у відношенні регламентування канцерогенів. Вірогідно, це обумовлено трудомісткістю, тривалістю експериментальних та епідеміологічних досліджень, а також різними поглядами на сам процес канцерогенезу.

Моніторинг Міжнародної Асоціації Вивчення Раку (IARC – МАВР) (Франція) здійснюється на основі досліджень речовин, явищ та технологій з канцерогенними впливами на основі епідеміологічних та експериментальних даних і має рекомендаційний характер, з 1972 р. вона публікує серію узагальнюючих монографій по оцінці канцерогенного ризику для людини. Експертами МАВР також розроблена широко визнана класифікація канцерогенів з групуванням за ступенем доведеності їх канцерогенності для людини. Їх список постійно переглядається та доповнюється.

Основною міжнародною угодою з проблеми моніторингу шкідливих забруднень є “Конвенція про боротьбу з небезпекою, що викликана канцерогенними речовинами та агентами у виробничих умовах та заходах профілактики ”, яка прийнята Міжнародною організацією праці (МОП), вона коротко зветься “Конвенцією 1974 року про професійні ракові захворювання” (№ 139) та відповідна “Рекомендація” № 147 .

Історично до початку 90-х років на території України склалася ситуація, за якої кожне відомство забезпечувало функціонування власної системи спостережень і контролю. Існують загально державні акти про захист здоров’я населення.

У наш час у різних країнах та міжнародних організаціях, наприклад, Агенції з охорони навколишнього середовища США (US.EPA), Національного інституту професійної безпеки та здоров‘я (NIOSH), Американської спілки урядових промислових гігієністів (ACGIH), Національної токсикологічної програми США (NTP), Міжнародної агенції з вивчення раку (IARC). Агенція професійної безпеки та захворювань (OSHA), при моніторингу довкілля використовується ціла низка класифікацій хімічних канцерогенів. У країнах Європи нерідко використовується німецька класифікація канцерогенів, розроблена для характеристики канцерогенної небезпеки промислових шкідливих речовин при встановленні їх максимально допустимих концентраціі (МДК), а також класифікація Комісії європейського співтовариства (ЕЕС).

В Україні у 1995 році було створено “Комітет з питань гігієнічного регламентування” при Міністерстві охорони здоров’я України. В 1997 році цим комітетом був розроблений Державний гігієнічний норматив “Перелік речовин, продуктів, виробничих процесів, побутових і природних факторів, канцерогенних для людини” і прийнято як офіційний документ, що дозволяє перейти до експертизи виробництв з ціллю оцінки можливої канцерогенної небезпеки для працюючих та населення, провести паспортизацію підприємств, почати створення реєстрів, зайнятих у канцерогенно-небезпечних виробництвах. Проте, є потреба у розробці науково-обгрунтованих регламентуючих та методичних офіційних документів, що враховують специфічність різних видів несприятливих впливів, зокрема, канцерогенних, на здоров’я населення.

Сучасна екологічна ситуація з посиленим антропогенним впливом на біосферу потребує системи екологічного та екогенетичного моніторингу довкіля та живих організмів, особливо безпечного проживання людини в навколишньому середловищі та здорового, безпечного її самопочуття.

Екогенетичний моніторинг

Зростаюче антропогенне навантаження на об’єкти навколишнього середовища становить реальну загрозу для генофонду всього живого та може підсилити мутагенний тиск на людську популяцію, викликаючи генетичні патології (спадкові захворювання та вроджені вади).