BIOTECHNOLOGIAW OCHRONIE ŚRODOWISKA

1. Przedmiot i zakres biotechnologii. Ogólna charakterystyka metod biotechnologicznych wykorzystywanych w ochronie środowiska

2. Podstawy mikrobiologii środowiska.Taksonomia drobnoustrojów wykorzystywanych w biotechnologii środowiska. Morfologia komórek. Metody określania liczby komórek i ilości biomasy. Warunki wzrostu drobnoustrojów i kinetyka wzrostu.

3. Technologie rekombinacji DNA. Informacja genetyczna i sposoby jej przekazywania. Konstrukcja organizmów genetycznie modyfikowanych. GMO w środowisku. 4. Metabolizm pierwotny i wtórny. Enzymy. Metabolizm ksenobiotyków w komórkach drobnoustrojów i ssakówPodstawowe reguły i mechanizmy regulacji metabolizmu. Działanie i właściwości enzymów. Mechanizmy degradacji ksenobiotyków organicznych. Metabolizm związków azotu: reakcje nitryfikacji i denitryfikacji. Wewnątrzkomórkowa akumulacja polifosforanów. Mechanizmy biosorpcji, akumulacji i biotransformacji jonów metali. Reakcje detoksyfikacji ksenobiotyków w organizmach ssaków.      

Program wykładów

 5. Biologiczne oczyszczanie ścieków Układy technologiczne oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego. Parametry technologiczne osadu czynnego. 6. Biotechnologiczne metody oczyszczania powietrza i gazów odlotowych Podstawy mikrobiologii gleby. Zanieczyszczenie środowiska ropą naftową i jej produktami. Mechanizmy biodegradacji węglowodorów. Metody oczyszczania gruntów z produktów ropopochodnych. 7. Fermentacyjne technologie wykorzystania odpadów przemysłowych Biologiczny rozkład polisacharydów. Biokonwersja materiałów ligninocelulozowych i skrobiowych. Biotechnologie wykorzystania odpadów przemysłu drzewnego i papierniczego do otrzymywania drożdży paszowych, etanolu i SCP (Single Cell Protein).

8. Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud, odpadów przemysłowych i osadów ściekowych

9. Biotechnologie odsiarczania węgla i ropy naftowej

10. Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów Biotechnologie wytwarzania prostych związków organicznych. Polimery wytwarzane przez drobnoustroje. Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów w procesach przemysłowych. 11. Biologiczne metody oceny stanu środowiska Biologiczne testy toksyczności, mutagenności i kancerogenności. Biomonitoring zanieczyszczeń atmosfery. Bioindykatory i bioczujniki. Immunoanaliza zanieczyszczeń środowiska. 12. Fermentacyjne technologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej  Fermentacja metanowa. Technologie otrzymywania biogazu. Biopaliwa. 13. Biotechnologiczne metody ochrony upraw rolnych i zwiększenia wydajności produkcji roślinnej Mikrobiologiczne zwalczanie owadów, chwastów i chorób roślin. Rośliny transgeniczne.  14. Biotechnologia środowiska morskiego

Literatura uzupełniająca: E. Klimiuk, M. Łebkowska. Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN W-wa, 2004W. Wardencki (red.) Bioanalityka w ocenie zanieczyszczeń środowiska, praca zbiorowa, CEEAM, Gdańsk 2004A. Scragg, Environmental Biotechnology, Oxford University Press, 2005 Przedmiot kończy się zaliczeniem w formie kolokwium pisemnego.  Konsultacje: poniedziałki, godz. 12.05 – 13.00, p. 23.

Przedmiot i zakres biotechnologii

Charakterystyka metod biotechnologicznych wykorzystywanych w ochronie środowiska

BIOTECHNOLOGIA

Zintegrowane zastosowanie wiedzy z zakresu biochemii, mikrobiologii i nauk inżynierskich w celu racjonalnego wykorzystania możliwościdrobnoustrojów, hodowanych komórek zwierzęcych i roślinnych lub ich części dla celów przemysłowych, w rolnictwie, ochronie zdrowia

i w ochronie środowiska.

Biotechnologia zielona – zastosowania metod biotechnologicznych w rolnictwie

Biotechnologia biała – wykorzystanie systemów biologicznych w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska

Biotechnologia czerwona – zastosowania metod biotechnologicznych w ochronie zdrowia

Metody biotechnologiczne

Ochrona środowiska Odnowa środowiska

oczyszczanie ścieków

unieszkodliwianie odpadów

oczyszczaniegazów odlotowych

biomonitoringśrodowiska

procesy biohydrometalurgiczne

produkcja biopolimerów

wytwarzaniebiopaliw

„czyste” technologie

bioremediacja

Biomonitoring

Bioindykatory – organizmy używane jako wskaźniki stanu środowiska

Biomarkery – składniki materii ożywionej (najczęściej biomakromolekuły)

używane jako elementy układów analizujących stan środowiska Przykłady: 1. drobnoustroje zawierające gen kodujący GFP pod kontrolą genu, którego ekspresja jest zależna

od stanu środowiska 2. Bakterie luminescencyjne jako elementy testów toksyczności i mutagenności

Biosensory – wyizolowane biomarkery wbudowane w układy pomiarowe

Biologiczne oczyszczanie ścieków

Zastosowanie drobnoustrojów do eliminacji ze ścieków związków organicznych,związków azotu (sole amonowe, azotany, azotyny), nieorganicznych związkówfosforu.Oczyszczalnie działające technologią osadu czynnego

Oczyszczanie gazów odlotowych

Schemat procesu oczyszczania gazów z użyciem biofiltru zraszanego

Używa się bioskrubery, biofiltry i reaktory membranowe z immobilizowanąbiocenozą bakteryjno-grzybową

Bioremediacja

Procesy polegające na zastosowaniu drobnoustrojów aktywnie rozkładających zanieczyszczenia (głównie ropa naftowa i substancje ropopochodne) do przywracania właściwego stanu gleby i wód gruntowych

Zdjęcie lotnicze terenu zanieczyszczonegow wyniku wycieku ropy z uszkodzonegorurociągu (Bemidji, Minnesota, USA)

Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów

Związki proste wytwarzane przez drobnoustroje

• Etanol• Glicerol• Aceton• Butanol• 1,3-propandiol• Kwas mlekowy• Kwas cytrynowy• Kwas octowy• Kwas fumarowy• Akrylamid • biosurfaktanty

Biopolimery

Polisacharydy

• Kurdlan• Dekstran• Gellan• Pullan• Skleroglukan• Ksantan

Biodegradowalne tworzywaplastyczne - polihydroksykwasy

O CH

R

CH2 C

O

n

R = H lub alkil (C1 do C9)

Procesy biohydrometalurgiczne

•pozyskiwanie metali z rud

•odsiarczanie paliw

•ługowanie metali z popiołów i odpadów przemysłowych

•ługowanie metali z osadów ściekowych

Fermentacyjne technologie wykorzystywania odpadów przemysłowych

Fermentacja metanowa

ścieki

odpady płynne

osady ściekowe

odpady komunalne

odpady z przemysłurolno-spożywczego

ścieki oczyszczone

osady ustabilizowane

biogaz

INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA)

Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów i enzymów w procesach przemysłowych.

• Odsiarczanie ropy naftowej i węgla. Usuwanie związków azotu z ropy

• Zastosowanie enzymów to produkcji proszków do prania

• Zastosowanie drobnoustrojów i enzymów do biotransformacji związków organicznych

• Zastosowanie drobnoustrojów i białek ekstremofilnych w przemyśle spożywczym

• Wykorzystanie enzymów proteolitycznych i hydrolaz polisacharydów w przemyśle tekstylnym, papierniczym i skórzanym

Zastosowanie GMO w ochronie środowiska

- wprowadzenie do organizmu genu nadającego mu nową cechę

Przykłady: oporność roślin użytkowych na herbicydy; zdolność drobnoustrojów do wykorzystywania polisacharydów jako źródła węgla; konstrukcja drobnoustrojów zdolnych do metabolizmu ksenobiotyków

zmiana działania istniejącego genu w sposób, który zmienia cechy organizmu

Przykład: przedłużenie trwałości pomidorów metodą technologii antysensowej (zmniejszenie aktywności genu kodującego poligalaktouronazę)

- wprowadzenie genu w celu uzyskania możliwości wytwarzania nowego produktu GMO jako bioreaktor

Przykład: produkcja białek terapeutycznych przez komórki drobnoustrojów, roślin i zwierząt transgenicznych

Międzynarodowe akty prawne zawierające wytyczne dotyczące stanu środowiska

Deklaracja z Rio (1992) – konwencja dotycząca bioróżnorodnościi globalnych zmian klimatycznych

Dyrektywa z Kyoto (1997) -- limity emisji CO2 i kary za ich przekroczenie

UE

Traktat z Maasricht (1991)

ONZ

Protokół montrealski (1987) – redukcja gazów cieplarnianych, eliminacja CFC