Овај чланак је део дисеминационих активности уз подршку Фонда за науку Републике Србије, Програм ДИЈАСПОРА, #6464843, MeMEAS у сарадњи са Хемијским факултету Универзитета у Београду. Садржина ових текстова не изражава ставове Фонда за науку Републике Србије. Датум уноса: октобар—децембар 2023. Википедијанци: Ова група ученика ће писати чланке на подстраницама, где ће остати до краја периода уноса и оцењивања.
Позовамо вас да помогнете ученицима и дате им смернице током израде.
Биотехнологија животне средине је научно поље које примењује биолошке и биохемијске процесе за налажење иновативних решења за изазове у животној средини, попут контроле загађења, руковање отпадом, очување ресурса и обнове екосистема. Користи се микроорганизмима, ензимима и биолошким процесима како би се дошло до одрживих решења. [1] Обухвата широк опсег примена и укључује: биоремедијацију,[2] руковање отпадом и рециклажу, [3] третман вода и земљишта, контролу квалитета ваздуха. Такође се бави обновљивим ресурсима где промовише производњу биогорива коришћењем материјала на биолошкој бази, биопластике [4], бави се обновом екосистема где употребом биотехнолошких алата обезбеђује очување природних екосистема и биодиверзитета. [5] Развијањем метода за производњу енергије из обновљивих извора такође се даје допринос борби против климатских промена и смањењу емисије гасова стаклене баште. [6]
Биоредемедијација се често користи за решавање проблема излива нафте. Микроорганизми, попут оних који разграђују угљоводонике из рода Alcanivorax и Oleispira разлажу сирову нафту и нафтне прерађевине до мање загађујућих супстанци. Они користе нафту као извор угљеника метаболишући је до безбедних једињења попут угљен диоксида и воде.[7][8] Некад се користи и биоаугментација која подразумева увођење специфичне културе микроба у већ постојећу популацију тиме побољшавајући природни капацитет за разлагање нафте. [9] Биостимулација, подразумева пружање повољних услова за раст постојећих природно присутних микроба. Додатак нутријената попут азота и фосфора може стимулисати њихов раст. [10]
Микробни биофилмови и природни сорбенти попут тресета или сламе могу побољшати ремедијацију код излива тако што повећавају додирну површину како за микробе, тако за адсорбцију нафте.[11] Напредне технике попут метагеномике и секвенциарања нове генерације се користе за праћење микробних заједница током процеса биоремедијације. Помоћу ових алата може се проценити ефикасност ремедијације.[12] Примена биоремедијације се видела у реалним сценаријима попут Exxon Valdez нафтног излива у Аљасци (1989) и у мексичком заливу (2010), показујући ефикасност и важност у ношењу са хаваријама. [13] Такође се користи у третирању контаминираних површинских вода. In situ технике биоремедијације стимулишу раст жељених микроотганизама у сврхе деградације загађивача. [14]
Фиторемедијација, облик биоремедијације, користи биљке за екстракцију тешких метала из контаминираног земљишта. Одређене биљке су хиперакомулатори, и могу да акумулирају високе концентрације тешких метала и тиме детоксификују земљиште. [15] Фиторемедијацијом такође може да се реши проблем отпадних вода. [16] Примењује се и код контаминираних индустријских и војних зона. У неким случајевима користи се ex situ биоремедијација што подразумева уклањање загађеног земљишта и његово третирање у контролисаном простору.[17] Биоремедијацијом се такође могу специфично циљати пестициди и хербициди у земљишту и води. [18] Може се користити и у ремедијацији радиоктивног отпада јер неки микроорганизми попут Deinococcus radiodurans могу да имобилишу или растворе радионуклеотиде смањујући њихов ефекат по животну средину. [19] Тренутна истраживања биоремедијације се фокусирају на развој генетски модификованих организама са побољшаним способностима деградације, употребу наночестица и нових микробних комбинација за ефкасније чишћење.[20]
Микробна екологија је један од основих аспеката у проучавању биотехнологије животне средине јер су микроорганизми кључни у обликовању и одржању екосистема. Она се бави проучавањем диверзитета, распореда и функцијом микроорганизама у природном окружењу. Микроорганизми су битни покретачи биогеохемијских циклуса. Укључени су у процесе попут кружења нутријената, разлагања органске материје и енергетског тока унутар екосистема. Разлажу комплексна органска једињења до простијих облика, чинећи нутријенте доступне вишим организимама. [21] Различити екосистеми, од земљишта и воде, па све до екстремних услова изворишта врелих вода на површини и на дну мора, станиште су јединственим микробним заједницама које су адаптиране на те специфичне услове. Разумевање састава и динамике ових заједница је битно за процену стабилности екосистема. [22] Микроорганизми улазе у комплексне интеракције, укључујучи компетицију и узајамност. Од ових интеракција зависи структура микробне заједнице и функција екосистема. Сарадња између микроба може побољшати њихову способност деградације или фиксације азота. [23] Микробне заједнице се могу мењати временом као одговор на поремећаје или промене у доступности ресурса па је познавање ове динамике круцијално за предвиђање одговора екосистема на такве утицаје. [24]
Технике молекуларне биологије омогућавају анализу генетичких, метаболичких и функционалних каракатеристика микроорганизама тиме дајући увид у њихову диманику и улогу у разним екосистемима. Технике које су у употреби су:
Ланчана реакција полимеразе (PCR): PCR се широко користи за амплификацију специфичних секвенци ДНК чинећи их лакшим за детекцију и анализу која обухвата идентифиацију и квантификацију микроорганизама, гена или функционалних карактеристика присутним у узорцима.[25]
Секвенцирање ДНК: Технике секвенцирања попут Сангеровсг секвенцирања и секвенцирање нове генерације (NGS), пружају детаљну информацију о генетичком саставу заједница микроорганизама, где се по својој способности посебно истиче NGS.[26]
Метагеномика је молекуларни приступ који укључује директно секвенцирањ ДНК екстрахованим из узорака животне средине. [27]
Анализа експресије функционалних гена у кључним метаболичким процесима попут кружења азота (нпр. гена за нитрификацију и денитрификацију) или деградације загађивача (нпр. гени за деградацију ксенобиотика).[28]
Анализа срединске ДНК (eDNA) подразумева екстракцију и анализу ДНК директно из узорака животне средине за детекцију и идентификацију организама без претходне култивације. Посебно је корисна за проучавање ретких или технички захтевних врста.[29]
Атомска абсорбциона спектроскопија (AAS) се такође користи за одређивање концентрације појединих елемената, конкретно метала и металоида, мерењем абсорбције светла на карактеристичним таласним дужинама. [33]
Ензимски повезани имуносорбентни тест (ELISA) је имунолошки метод којим се детектују и квантификују специфични антигени у узорцима животне средине. У биотехнологији животне средине се користи на пример за проверу специфичних микробних биомаркера. [34]
Спектрофотометрија мери абсорбцију светлости од стране супстанци у узорку. Користи се за одређивање концентрације разних једињења укључујући загађивача и микробних пигмената. [35]
Мониторинг животне средине обухвата разне технике за процену стања животне средине идентификујући промене кроз време и праћњу утицаја људске активности на природне екосистеме. У оптицају су следеће технологије:
Сензорне технологије пружају податке у реалном времену за различите параметре. Ови сензори могу мерити температуру, pH, растворен кисеоник, и концентрацију загађивача.[36]
Даљинско посматрање употребљава сателите и снимке из ваздуха како би се пратиле промене на великој скали. Незаменљиво је праћење стања вегетације и климатских промена.[37]
Мониторинг квалитета воде подразумева проверу параметара као што су тубридитет, нивое нутријената и загађивача.[38]
Мониторинг квалитета ваздуха подразумева мерење одређених ваздушних загађивача попут концентрације ситних честица, озона, сумпор диоксида и азотних оксида. [39]
Биолошки мониторинг подразумева употребу индикаторских врсти или биолошких параметара. На пример, присуство или одсуство одређених врста у воденим екосистемима може индиковати квалитет воде.[40]
Мониторинг животне средине даје велике базе података које захтевају напредну анализу података и интеграције. Географски информациони системи и статистичке методе играју битну улогу у синтези и интерпретацији тих података. [41]
Микробне горивне ћелије су биоелектрохемијске галванске ћелије које користе метаболичке процесе микроорганизама за претварање органске материје у електричну енергију. Раде на принципу микробне респирације где оксидацијом органских супстрата присутних, на пример у отпадној води, отпуштају електроне. Ови електрони прелазе на електрону дајући струју. Истовремено протони иду кроз мембрану протонске размене до катоде где се комбинују са електронима и кисеником формирајући воду. [42] Оне могу истовремено третирати отпадну воду и производити електрицитет и тиме нуде одржив приступ у уклањању органских загађивача уз додатно генерисање електтрицитета. Иако је количина електрицитета која се добије овим путем тренутно мала, тренутна истраживања циљају на повећању перформанси и примени на већој скали.[43][44] Минијатурне варијанте ових ћелија се истражују у сврхе примена за мониторинг. [45]
Производња биогорива од алги укључује култиваицју микроалги које претварају сунчеву енергију и угљен диоксид у биогорива попут биодизела или биоетанола. Овај приступ нуди неколико предности од којих су неки брз раст, минимална површина за узгој и потенцијал да се смање емисије угљен диоксида. У оптицај за избор сорте алги улазе врсте са високом количином липида или угљоводоника, брзим растом и толеранцијом на варијабилне спољне факторе. [46] Овом опису одговарају Scenedesmus и Chlorella.
Алге се могу гајити у разним култивационим системима, укључујући баре и затворене фотобиореакторе. Сваки систем има своје предности и мане из перспективе цене, скалирања и контроле.[47] Сакупљање и дехидратација биомасе алги може бити енергетски захтевно и скупо. Користе се технике попут центрифугирања, флокулације и филтрације за одвајање алги од култивационог медијума. [48]Екстракција липида је кључан корак и производњи биодизела и врши се екстракцијом растварачем, суперкритичним флуидима и механичком обрадом ћелија.[49] Екстраховани из алги, трансестерификацијом иду до биодизела или ферментацијом до биоетанола. [50]
Технологије претварања отпада у енергију (Waste-to-Energy WtE)
Технологије претварања отпада у енергију користе отпад као гориво за генерисање енергије. Овде пример могу бити анаеробна дигестија где микроорганизми разарају органску материју у одсуству кисеоника. Овај процес производи био-гас чији је метан основни консистуент, а он се може користити у производњи енергије. [51]
Интеракције између биљки и микроба су битне са аспекта пољопривреде. На пример, постоје азотофиксирајуће бактерије попут Rhizobia и Frankia које формирају симбиотски однос са махунаркама. Ове бактерије претварају атмосферски азот у амонијак, пружајући извор азота без потребе за синтетичким ђубривима. [52]
Арбускуларне микрозне гљиве праве симбиотске односе са корењем већине биљака. Оне побољшавају упијање нутријената, посебно фосфора и побољшавају отпорност биљака на патогене и абиотски стрес. [53]
Ризобактерије које промовишу биљни раст су повољне бактерије из земљишта које побољшавају раст биљака и њихово здравље кроз низ механизама, укључујући растворљивост нутријената, производњу хормона који стимулишу раст и заштите од патогена. [54]
Антагонистички микроорганизми, попут Trichoderma spp. и Bacillus spp могу потиснути биљне патогене кроз компетицију за нутријенте и производњу антимикробних једињења. Ови агенси за биоконтролу смањују потребу за хемијским пестицидима.[55]
Ендофитни микроорганизми насељавају унутрашност биљака без изазивања болести. Они могу побољшати раст биљака, абсорбцију нутријената и толеранцију на стресоре из животне средине. [56]
Генетски модификоване биљке су развијене тако да врше експресију гена која као последицу носи отпорност на специфичне штеточине. На пример, гени Bacillus thuringiensis се убацују у биљке попут памука или кукуруза како би производили протеинетоксичне по инскете који их нападају, тиме смањујући потребу за хемијске инсектициде. [57]
Ова технологија користи мале РНК молекуле да угасе специфичне гене штеточина неопходне за њихово преживљавање. Кад их штеточине унесу у себе, ти молекули ометају њихове виталне процесе и воде до смрти.[58]
Инсекти се могу стерилисати радијацијом или генетичком модификацијом и пустити у животну средину где њихово парење неће довести до функционалних потомака и тиме им се број смањује.[59]
Биолошка контрола се тиче увођења природних непријатеља, било да су то предатори, паразити или патогени у циљу смањења популације, такође смањујући потребу за употребом пестицида. [60] Употреба синтетичких феромона може да се користи за ометање парења или за прављење замки.[61]