Здесь резко возрастает роль молекулярной биологии, так как принципиальное улучшение растений возможно только с помощью молекулярно-генетических методов - введения в геном растения фрагментов наследственной программы, определяющей лучшее усвоение элементов питания, выработку заданных человеком веществ.
По-прежнему требует особого внимания проблема повышения плодородия почвы. Ведь если, например, хотят удвоить урожаи, то необходимо удвоить и интенсивность круговорота веществ. Добиться этого можно, увеличив внесение органических и минеральных удобрений. При этом обнаруживается, что первые зависят от вторых.
С ростом минеральных удобрений будет повышаться урожайность, усиливаться обмен веществ в почве, увеличиваться количество кормов, возрастет продуктивность животноводства и как побочный продукт животноводства увеличится количество органических удобрений.
Биология почв помогает понять механизм регулирования биогенного круговорота, превращения минерального питания в органическую массу растений. Ведь плодородие почвы определяется не только динамикой питательных веществ, вносимых в почву, но и обменом веществ, совершающимся в самой почве благодаря биологическим процессам. И для того чтобы это развитие проходило в оптимальном режиме, надо, чтобы почва имела хорошие физико-химические свойства, имела, скажем, агрономически оптимальную структуру, оптимальный водный режим.
Преимущества социалистической системы ведения сельского хозяйства, многофакторная стратегия интенсификации агропромышленного комплекса служат предпосылкой рационального использования природных ресурсов, прогрессивных форм организации производства, достижений науки и техники, а следовательно, и значительного повышения, пользуясь словами К. Маркса, эффективного плодородия земли.
Агроценоз построен человеком
В последние два десятилетия ученые активно работали над созданием принципиально новых биосистем, не имеющих аналогов в природе. Речь идет главным образом о гидропонике и о биотехнологии выращивания микробов. Реальная задача, которую перед собой ставит микробиологическая промышленность, - ликвидировать тот хронический белковый дефицит, который почти во всем мире свойствен кормам домашних животных. В среднем он составляет около четверти необходимого белка в рационе скота, а такие отрасли животноводства, как птицеводство или продуктивное рыбное хозяйство, вообще невозможны без обеспечения высокобелковыми кормами.
Именно здесь надежды связываются с микробиологической промышленностью, цель которой - выращивание микробов - продуцентов белка (дрожжей, водорослей, грибов, бактерий) - в заводских условиях.
Выращивая микробы на отходах сельскохозяйственного производства (солома, ботва, другие неиспользуемые части сельскохозяйственных растений), производства спирта, целлюлозы, молочных продуктов и т. д., получают микробную биомассу, исключительно богатую белком, витаминами, ферментами. Достаточно сказать, что килограмм всем известных сухих пищевых дрожжей содержит столько же белка, сколько 3 килограмма мяса.
Сегодня в нашей стране микробиологическая промышленность ежегодно вырабатывает около миллиона тонн дрожжей, свыше 100 видов других продуктов.
Промышленная микробиология действует в содружестве с биоорганической химией, биофизикой, физиологией человека, животных и микроорганизмов, молекулярной биологией и генетикой. Прочный сплав этих наук с микробиологическим и биохимическим производством и составляет основное содержание того нового явления, которое получило обобщенное название биотехнологии.
"Эта область, - говорил президент Академии наук СССР А. П. Александров на XXVI съезде КПСС, - в ближайшие годы станет играть особенно важную роль - уже осуществляется производство многих видов лекарственных препаратов, кормовых и пищевых веществ, новых видов соединений, синтезирующихся пока только в живых организмах".
Индустрия живых клеток призвана превратить микробов в производителей продуктов в огромных количествах - не в граммах и килограммах, а в тысячах, сотнях тысяч и даже миллионах тонн - в этом и заключается принципиальная новизна производства пищевых продуктов без традиционного сельского хозяйства.
В нашей стране вступают в строй все новые крупные заводы микробиологического синтеза. Можно только удивляться тому, что все это огромное богатство человек создает при помощи мельчайших существ микробов.
Не менее поразительно и другое. Большинству микробиологических предприятий, которые выращивают и вскармливают миллиарды микроскопических живых организмов, в основном не требуются для этого ни пищевые, ни кормовые продукты сельского хозяйства. Напротив, микробиологическая промышленность в качестве сырья для производства ценнейших кормовых и пищевых веществ использует такие ресурсы солнечной энергии, глубоко законсервированные в природе в виде соединений углерода и водорода, которые никогда ранее в истории человечества не использовались для подобных целей.
В конце 1963 года начали действовать первые опытные, а затем и опытно-промышленные установки по производству дрожжей на очищенных жидких парафинах нефти. Установлено, что дрожжи, выращиваемые на углеводородах нефти, по своему составу и благотворному действию на животных не уступают, а даже превосходят дрожжи, вырабатываемые из Сахаров растительного сырья (гидролизатов древесины, сульфитных щелоков, мелассы).
Новые перспективы открывает перед человеком и широкое использование гидропоники - выращивание сельскохозяйственных растений на полностью искусственной питательной среде, зачастую в условиях искусственного подогрева и искусственного освещения. Такое круглогодичное, круглосуточное выращивание растений автоматизировано, оно не зависит от почвенных и климатических условий, оно может развиваться далеко на Севере или среди пустыни, где погодные условия исключают выращивание растений под открытым небом. На практике это выглядит так. В бетонные лотки, заполненные не почвой, а мелкими камешками или пластмассовыми шариками, по трубам к корням растений автоматически поступает питательный раствор, затем раствор откачивается и к корням периодически поступает кислород.
Гидропоника знаменует собой качественно новый этап развития тепличного хозяйства и позволяет выращивать овощи, ягоды, некоторые кормовые культуры в многоярусных теплицах, которые можно размещать и на верхних этажах больших зданий в городах. Так что и в городе можно будет получать сельскохозяйственную продукцию и обеспечивать круглый год население луком, огурцами, помидорами, перцем и другими овощами.
В целом гидропонные методы позволяют получать урожаи в пять раз большие, чем дают на юге лучшие поливные почвы.
Очевидно, что такие теплицы обходятся недешево. Но не мешает вспомнить, сколько гибнет овощей за зиму в хранилищах, сколько на долгих дорогах, особенно за Полярный круг, сколько "дарового" тепла пропадает на заводах и электростанциях. А главное - насколько свежив овощи и фрукты круглый год улучшают самочувствие человека, особенно там, куда зимой их доставлять трудно!
"Расширять тепличное хозяйство, особенно с использованием тепловых отходов промышленных предприятий" - такая задача поставлена в Основных направлениях экономического и социального развития страны.
Один из главных "поставщиков" этих отходов - энергетика, тепловые и атомные электростанции. Известно, что потребление энергоресурсов в современном мире быстро увеличивается. Однако коэффициент использования тепла остается низким - в целом по промышленности он сегодня не превышает 30 процентов. Тепловые отходы - это не только досадный с точки зрения расхода топлива, но и вредный фактор, получивший название теплового загрязнения окружающей среды.
Если многим промышленным предприятиям низкотемпературное тепло использовать трудно, то ряду отраслей сельскохозяйственного и биологического производств, напротив, такое тепло и необходимо для нормальной работы. Мы просто еще не научились использовать такой ресурс, как отходы АЭС и других энергопредприятий.
Расчеты показывают, что выигрыш от использования сбросного тепла можно значительно повысить, если отходы одной отрасли (цеха) сделать "сырьем" для другой.
Тремя научными учреждениями - ВНИИ прикладной молекулярной биологии и генетики ВАСХНИЛ, институтами Гидропроект имени С. Я. Жука, Московским архитектурным - разработана модель и предложен проект мощного энергобиологического безотходного комплекса при АЭС, полностью работающего на сбросном тепле.
Что представляют собою отдельные элементы комплекса?
В первую очередь это теплицы. Растениеводство в закрытом грунте позволяет увеличить продуктивность используемой для этого земельной площади. Чтобы удовлетворить потребность населения нашей страны в ранних овощах, необходимо как минимум 30 тысяч гектаров теплиц (несколько более квадратного метра на каждого человека). Но чтобы обогреть эту площадь, нужно было бы ежегодно сжигать около 50 миллиардов кубометров природного газа. Цифра огромная и, признаться, нереальная. А ведь надо выращивать под стеклом не только ранние овощи, но и другие культуры.
Сегодня, чтобы получить в теплицах нужную для развития растений температуру, в качестве теплоносителя используют воду, нагретую приблизительно до 90 градусов, а основной системой обогрева служат трубопроводы.
Затраты на нее (а это 40 километров труб на каждом гектаре) вместе с котельной достигают 40 процентов затрат на сооружение тепличных комбинатов, а расходы на обогрев - половины себестоимости тепличной продукции.
Перспективы использования сбросного тепла побуждают разрабатывать конструкции принципиально новых теплиц: высотных, с обогревом от сухих градирен, гидротеплиц и теплиц-градирен. В последних теплую воду пропускают по их крыше, и, охлаждаясь, она обогревает теплицы и возвращается к энергоагрегатам. Даже зимой температура воздуха в теплицах остается всего на 1-3 градуса ниже, чем у обогревающей их воды.
Расчеты показывают, что отходов тепла обычных и атомных электростанций, а также промышленных предприятий страны достаточно для обогрева не менее 300 тысяч гектаров теплиц. Климатические условия в них будут сродни субтропическим, подчас даже лучше - ведь чаще всего в наших субтропиках невозможно выращивать без укрытия даже неприхотливые виды и сорта цитрусовых. Кроме традиционных овощных, в теплицах можно будет призводить немало других ценных растений - таких, как цветочные и ягодные, лекарственные. Часть этой площади можно использовать, причем с высокой отдачей, для ускорения процесса селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений.
Орошение теплыми водами открытого грунта даст возможность повысить урожайность культур по сравнению с обычным орошением на 20 процентов и более, а главное - продлить вегетационный период.
Сегодня достижения биологической науки, в том числе использование почвенных микроорганизмов, позволяет не только получать и перерабатывать пищевые продукты или корм для скота, они находят применение и в новых, подчас неожиданных областях. Почвенная микробиология породила не только биотехнологию, но и промышленную биоэнергетику.
Напомним, что Энергетическая программа СССР предусматривает на первом этапе создание материально-технической базы для широкого использования нетрадиционных источников энергии, в том числе энергии биомассы.
Понятие "биомасса", как известно, охватывает все вещества растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности и органические отходы, образующиеся в процессе их обработки. Частично она используется в качестве кормов и продуктов питания, строительного материала, сырья для промышленности, а также в энергетических целях - путем прямого сжигания или с помощью переработки с получением спиртов и биогаза. Общее количество биомассы, ежегодно образующейся на планете, в несколько раз превышает суммарную годовую мировую добычу нефти, газа и угля.
Производство и переработка продукции сельского хозяйства дают массу отходов: навоз, солома и т. д. Нередко они либо вообще не идут в дело, либо употребляются неэффективно. В городах очень велико количество жидких стоков и твердых отходов. Органические отходы в изобилии появляются при лесозаготовках, лесопилении, деревообработке. Правда, на их базе (но это лишь небольшая их часть) развернуто довольно крупное микробиологическое производство этилового спирта и кормовых дрожжей.
Получать топливо из биомассы можно двумя способами - с помощью термотехнических процессов или путем биотехнологической переработки. К последнему относятся анаэробное сбраживание с выходом биогаза, а также гидролиз с получением этилового спирта или кормовых дрожжей, биоводорода и ряда других продуктов. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что наибольшую перспективу открывает биологическая переработка органических веществ в биогаз. Он состоит из 50-70 процентов метана и 30-50 процентов окиси углерода. Его теплотворная способность составляет 4300-6000 килокалорий на кубический метр, что эквивалентно 0,6-0,8 килограмма условного топлива.
Брожение тонны органического вещества дает от 350 до 500 кубических метров биогаза. Процесс протекает непрерывно в реакторах (метатенках) объемом от нескольких кубометров до нескольких тысяч кубометров при температурах от 30 до 35 градусов Цельсия.
Безусловное достоинство такого способа - возможность использовать остаток органического вещества, образующегося в реакторах. Это обеззараженное, без запаха удобрение, для растений более ценное, чем обычный навоз.
На различные технологические нужды в сельском хозяйстве ежегодно расходуется около 50 миллионов тонн условного топлива. Если учесть, что в 1986-1990 годах намечается построить несколько сотен свинокомплексов с годовым откормом многих миллионов свиней, то общий выход жидкого навоза составит в год десятки миллионов кубических метров. Из него можно получить до 1,5 миллиарда кубометров биогаза (что эквивалентно 1 -миллиону тонн условного топлива), а кроме того - высококачественные удобрения, содержащие азот в виде аммония (200 тысяч тонн), окись фосфора (61 тысячу тонн), окись калия (84 тысячи тонн).
Предполагается также построить сотни комплексов крупного рогатого скота с откормом более 4,5 миллиона голов. Расчеты показывают, что только благодаря реализации отходов животноводческих комплексов и птицефабрик путем биологической конверсии можно получить дополнительно более 4 миллионов тонн условного топлива (50 процентов биогаза идет на поддержание процесса брожения), а также высококачественные удобрения в количестве, эквивалентном 3 миллионам тонн в пересчете на обычное минеральное удобрение.
Таковы лишь некоторые из направлений, по которым идет поиск принципиально новых решений, связанных с использованием биологических ресурсов и повышением их качества.
Почвенные животные предупреждают об опасности
Открытие атомной энергии и использование ее безграничных запасов - одно из самых выдающихся достижений науки XX века. Но успехи ядерной энергетики стали и источником серьезной и все растущей озабоченности во всем мире. И дело не только в угрозе атомной войны, способной вообще уничтожить человечество. Огромную опасность представляет и загрязнение биосферы радиоактивными веществами. Вызвано оно рассеиванием в атмосфере, в морях и океанах продуктов радиоактивного pscпада, проникновением их в почву и накоплением в сельскохозяйственной продукции и промысловых рыбах.
Радиоактивное загрязнение довольно просто и оперативно устанавливают приборы. Но практика показала, ч го как бы точны они ни были, только биологические индикаторы (растения, животные, микроорганизмы) позволяют перевести физические и химические показатели в величины, имеющие биологический смысл, то есть получить ответ на основной вопрос: пригодна ли та или иная срзда для жизни человека.
Как влияет радиация на клетки, ткани и целые живые организмы, каковы методы защиты от нее - этим занимается молодая наука - радиобиология. Одно из ее направлений - радиоэкология. Ее задача - анализ концентрации радионуклидов, изучение закономерностей изменения сообществ и популяций организмов, обитающих в условиях повышенной радиации.
Почвенные животные исключительно благодарный объект для радиоэкологических исследований: многие из них весьма чувствительны к действию радиации, в пищевых цепях они часто являются конечными звеньями и могут концентрировать радионуклиды. Животное население почв регулирует численность вредителей леса, что особенно важно в лесных районах, подвергшихся действию радиации. Тесная связь существует и между степенью радиоактивного загрязнения почв и экологией сельскохозяйственных вредителей в этих почвах. Наконец, почвенные животные - удобнейший биоиндикатор радиоактивного загрязнения территорий, так как численность их велика и достигает многих сотен тысяч особей на один квадратный метр, а характер питания фитофагов, сапрофагов и хищников достаточно постоянен, что позволяет установить пути и количественные закономерности миграции радионуклидов в биогеоценозе.
Почвенная фауна - наименее миграционная часть зооценоза, именно она теснее всего контактирует с радиоактивными загрязнениями и естественными радионуклидами, поскольку на суше все загрязнения, как радиоактивные, так и химические, рано или поздно попадают в почву.
Почвенная фауна и миграция нуклидов
Необходимость разработки биологических мер борьбы с возможными радиоактивными загрязнениями суши заставляет с особым вниманием отнестись к проблеме регулирования и направленной перестройки животного населения почв, изысканию путей интенсификации биологического круговорота веществ с помощью животных для связывания подвижных соединений радионуклидов и локализации очагов загрязнения в условиях естественных природных экосистем.
Одной из форм воздействия на очаг загрязнения могло бы быть расселение и создание условий для массового размножения таких почвенных животных, как кивсяки, которые в значительных количествах накапливают соли кальция и стронция, потребляют растительный опад (а он является одним из самых загрязненных искусственными радионуклидами горизонтов почвы) и в то же время не служат сами пищей для птиц, млекопитающих и хищных насекомых. Поэтому кивсяки могут быть эффективным депо таких радионуклидов, как стронций-90.
Как правило, больше радиоактивного стронция накапливают животные, которые откладывают кальций в покровах для увеличения их прочности почвенные моллюски, кивсяки, мокрицы. Эти животные с успехом могут использоваться в качестве биоиндикаторов загрязнения среды стронцием-90. В восточной Украине кивсяки и виноградные улитки накапливали этот радионуклид в 100 раз больше, чем его содержалось в дубовом опаде - пище этих животных.
Учитывая, что стронций-90 прочно связывается почвами и не весь включается в круговорот, можно предполагать, что зоогенная, то есть определяемая животными, миграция этого изотопа, во всяком случае, сравнима с вымыванием дождевыми водами или разносом ветром из биогеоценоза. Наибольшее значение здесь имеют почвенные миграции.
Обратимся теперь к другому загрязнителю - цезию-137. Интерес к этому элементу обусловлен не только чем, что это долгоживущий радионуклид (период полураспада - 29 лет) и один из основных агентов радиоактивного загрязнения биосферы. Существенно то, что миграция цезия-137 по трофическим цепям к человеку происходит через животных, через пищевые продукты животного происхождения: молоко, мясо, молочные продукты. Известно, что химически цезий близок калию, с которым и мигрирует по пищевой цепи. Подвижность цезия-137 в круговороте уменьшают микроорганизмы, которые связывают до 60 процентов изотопа, давая ему выщелачиваться из лесной подстилки. Видимо, важную роль в биогенной миграции цезия-137 должны играть почвенные грибы, в золе которых может содержаться до 45 процентов калия.
Освобождению этих элементов, их вовлечению в биогенный круговорот способствует деятельность почвенных животных, которые разрушают мертвую органику, частично ее перерабатывают и переваривают значительную часть микробной биомассы, переводя зольные элементы в подвижное, доступное высшим растениям состояние, как это было выяснено А. Д. Покаржевским в СССР, Д. Кроссли и М. Виткэмпом в США.
Радиоэкологическая обстановка для животных резко осложняется, если они постоянно обитают на участках с повышенным содержанием естественных радионуклидов.
В таких условиях отмечено резкое повышение концентрации радия позвоночными животными (в 6-132 раза), в меньшей степени - урана (0,3-12 раз), содержание тория не повышается. Особенно много радионуклидов накапливали грызуны, которые постоянно заселяли эти участки.
В пределах одного наземного биоценоза могут оказаться виды животных, сильно различающиеся по степени контакта с загрязненными участками, а следовательно, и с ионизирующим излучением. По этому признаку различают животных, случайно контактирующих с загрязнением, временно или постоянно. Но и при постоянном тесном контакте у животных, обитателей одной и той же территории, степень контакта неодинакова.
В СССР обстоятельно исследовали действие естественного радия-226 на комплексы почвенных животных. Изучаемые участки были невелики (1-2 гектара) и расположены на надпойменной террасе с луговой растительностью в подзоне средней тайги. Повышенный фон образовался из-за разлива подземных пластовых вод с повышенным содержанием радия. Четкие различия были обнаружены для всех массовых групп почвенных животных, которые развиваются долго и относительно малоподвижны, то есть постоянно обитают на участках с повышенным фоном радиации. Численность всех этих групп была на таких участках явно ниже, чем в контроле (объектами исследования являлись дождевые черви, личинки двукрылых и жуков-щелкунов). Меньшей оказалась-и общая заселенность почвы беспозвоночными.
Интересно, что особенно заметное угнетение испытывали дождевые черви. На участках с повышенным фоном радиации не только ниже была их численность, но и мельче размеры и наблюдалась задержка в развитии.
Таким образом, наибольшему воздействию радиации подвержены оседлые, длительно обитающие на участках с повышенным радиоактивным фоном группы животных, у которых наблюдается задержка развития и нарушения в функции эпителия поверхности тела и кишечника.
Действие радиации на почвенных животных хорошо прослеживается не только на участках, где уровень ее высок, но и там, где он низок, по-видимому, из-за больших дозовых нагрузок на почвенных животных по сравнению с наземными. Особенно удобным объектом для изучения можно считать дождевых червей, вероятнее всего, по той причине, что они облучаются не только извне, но и от почвы, которую заглатывают. У всех остальных наземных животных пища растительного или животного характера, в которой содержание естественных радионуклидов в 10-100 раз ниже, чем в почве.
Радиоактивное загрязнение среды и жизнь в почве
Опыты с облучением естественных, не нарушенных образцов почвы дозами 2,5-5 мегарад от кобальтового источника и в атомном реакторе подтвердили полную стерилизацию почвы, а также глубокие нарушения ее химического состава: содержание аммония в гумусовом слое облученной почвы возросло более чем в десять раз, и он в больших количествах появился в минеральном слое, где ранее полностью отсутствовал. Количество нитратов увеличилось преимущественно в минеральном слое почвы.
Микроорганизмы довольно быстро заселяли возвращенные в поле стерилизованные образцы, так что через девять дней те практически сравнялись с контролем и затем в течение двух месяцев заметно не отличались от контроля. Микроартроподы заселяли образцы значительно медленнее, через две недели встречались единичные особи, а через два месяца заселенность все еще сильно отставала от контрольной, особенно в образцах, где было мало грибов. При хроническом облучении леса в Брукхевене (США) отклонений в разложении лесной подстилки не наблюдали.
Показателем биологической активности почвы может считаться "почвенное дыханием - количество выделяемого с единицы поверхности углекислого газа. Когда почву подвергали острому облучению от мощного кобальтового источника дозой 800 и 2500 килорад, почвенное дыхание в обоих случаях резко сократилось. Наблюдения за микроорганизмами через шесть недель после облучения показали, что численность их резко упала. После хронического облучения дозой 800 килорад численность бактерий сократилась в почве почти в 40 раз по сравнению с контролем, грибов - в 6 раз. Острое облучение при 800 килорад вызвало падение численности бактерий в 2,5 раза, грибов - в 10 раз; при 2500 килорад бактерии исчезли вовсе через шесть недель.
Для изучения экологических последствий лучевых воздействий на естественные ценозы в условиях средней полосы СССР проводился многолетний эксперимент с острым гамма-облучением сосново-березового леса дозами 7-25 килорад.
По-прежнему требует особого внимания проблема повышения плодородия почвы. Ведь если, например, хотят удвоить урожаи, то необходимо удвоить и интенсивность круговорота веществ. Добиться этого можно, увеличив внесение органических и минеральных удобрений. При этом обнаруживается, что первые зависят от вторых.
С ростом минеральных удобрений будет повышаться урожайность, усиливаться обмен веществ в почве, увеличиваться количество кормов, возрастет продуктивность животноводства и как побочный продукт животноводства увеличится количество органических удобрений.
Биология почв помогает понять механизм регулирования биогенного круговорота, превращения минерального питания в органическую массу растений. Ведь плодородие почвы определяется не только динамикой питательных веществ, вносимых в почву, но и обменом веществ, совершающимся в самой почве благодаря биологическим процессам. И для того чтобы это развитие проходило в оптимальном режиме, надо, чтобы почва имела хорошие физико-химические свойства, имела, скажем, агрономически оптимальную структуру, оптимальный водный режим.
Преимущества социалистической системы ведения сельского хозяйства, многофакторная стратегия интенсификации агропромышленного комплекса служат предпосылкой рационального использования природных ресурсов, прогрессивных форм организации производства, достижений науки и техники, а следовательно, и значительного повышения, пользуясь словами К. Маркса, эффективного плодородия земли.
Агроценоз построен человеком
В последние два десятилетия ученые активно работали над созданием принципиально новых биосистем, не имеющих аналогов в природе. Речь идет главным образом о гидропонике и о биотехнологии выращивания микробов. Реальная задача, которую перед собой ставит микробиологическая промышленность, - ликвидировать тот хронический белковый дефицит, который почти во всем мире свойствен кормам домашних животных. В среднем он составляет около четверти необходимого белка в рационе скота, а такие отрасли животноводства, как птицеводство или продуктивное рыбное хозяйство, вообще невозможны без обеспечения высокобелковыми кормами.
Именно здесь надежды связываются с микробиологической промышленностью, цель которой - выращивание микробов - продуцентов белка (дрожжей, водорослей, грибов, бактерий) - в заводских условиях.
Выращивая микробы на отходах сельскохозяйственного производства (солома, ботва, другие неиспользуемые части сельскохозяйственных растений), производства спирта, целлюлозы, молочных продуктов и т. д., получают микробную биомассу, исключительно богатую белком, витаминами, ферментами. Достаточно сказать, что килограмм всем известных сухих пищевых дрожжей содержит столько же белка, сколько 3 килограмма мяса.
Сегодня в нашей стране микробиологическая промышленность ежегодно вырабатывает около миллиона тонн дрожжей, свыше 100 видов других продуктов.
Промышленная микробиология действует в содружестве с биоорганической химией, биофизикой, физиологией человека, животных и микроорганизмов, молекулярной биологией и генетикой. Прочный сплав этих наук с микробиологическим и биохимическим производством и составляет основное содержание того нового явления, которое получило обобщенное название биотехнологии.
"Эта область, - говорил президент Академии наук СССР А. П. Александров на XXVI съезде КПСС, - в ближайшие годы станет играть особенно важную роль - уже осуществляется производство многих видов лекарственных препаратов, кормовых и пищевых веществ, новых видов соединений, синтезирующихся пока только в живых организмах".
Индустрия живых клеток призвана превратить микробов в производителей продуктов в огромных количествах - не в граммах и килограммах, а в тысячах, сотнях тысяч и даже миллионах тонн - в этом и заключается принципиальная новизна производства пищевых продуктов без традиционного сельского хозяйства.
В нашей стране вступают в строй все новые крупные заводы микробиологического синтеза. Можно только удивляться тому, что все это огромное богатство человек создает при помощи мельчайших существ микробов.
Не менее поразительно и другое. Большинству микробиологических предприятий, которые выращивают и вскармливают миллиарды микроскопических живых организмов, в основном не требуются для этого ни пищевые, ни кормовые продукты сельского хозяйства. Напротив, микробиологическая промышленность в качестве сырья для производства ценнейших кормовых и пищевых веществ использует такие ресурсы солнечной энергии, глубоко законсервированные в природе в виде соединений углерода и водорода, которые никогда ранее в истории человечества не использовались для подобных целей.
В конце 1963 года начали действовать первые опытные, а затем и опытно-промышленные установки по производству дрожжей на очищенных жидких парафинах нефти. Установлено, что дрожжи, выращиваемые на углеводородах нефти, по своему составу и благотворному действию на животных не уступают, а даже превосходят дрожжи, вырабатываемые из Сахаров растительного сырья (гидролизатов древесины, сульфитных щелоков, мелассы).
Новые перспективы открывает перед человеком и широкое использование гидропоники - выращивание сельскохозяйственных растений на полностью искусственной питательной среде, зачастую в условиях искусственного подогрева и искусственного освещения. Такое круглогодичное, круглосуточное выращивание растений автоматизировано, оно не зависит от почвенных и климатических условий, оно может развиваться далеко на Севере или среди пустыни, где погодные условия исключают выращивание растений под открытым небом. На практике это выглядит так. В бетонные лотки, заполненные не почвой, а мелкими камешками или пластмассовыми шариками, по трубам к корням растений автоматически поступает питательный раствор, затем раствор откачивается и к корням периодически поступает кислород.
Гидропоника знаменует собой качественно новый этап развития тепличного хозяйства и позволяет выращивать овощи, ягоды, некоторые кормовые культуры в многоярусных теплицах, которые можно размещать и на верхних этажах больших зданий в городах. Так что и в городе можно будет получать сельскохозяйственную продукцию и обеспечивать круглый год население луком, огурцами, помидорами, перцем и другими овощами.
В целом гидропонные методы позволяют получать урожаи в пять раз большие, чем дают на юге лучшие поливные почвы.
Очевидно, что такие теплицы обходятся недешево. Но не мешает вспомнить, сколько гибнет овощей за зиму в хранилищах, сколько на долгих дорогах, особенно за Полярный круг, сколько "дарового" тепла пропадает на заводах и электростанциях. А главное - насколько свежив овощи и фрукты круглый год улучшают самочувствие человека, особенно там, куда зимой их доставлять трудно!
"Расширять тепличное хозяйство, особенно с использованием тепловых отходов промышленных предприятий" - такая задача поставлена в Основных направлениях экономического и социального развития страны.
Один из главных "поставщиков" этих отходов - энергетика, тепловые и атомные электростанции. Известно, что потребление энергоресурсов в современном мире быстро увеличивается. Однако коэффициент использования тепла остается низким - в целом по промышленности он сегодня не превышает 30 процентов. Тепловые отходы - это не только досадный с точки зрения расхода топлива, но и вредный фактор, получивший название теплового загрязнения окружающей среды.
Если многим промышленным предприятиям низкотемпературное тепло использовать трудно, то ряду отраслей сельскохозяйственного и биологического производств, напротив, такое тепло и необходимо для нормальной работы. Мы просто еще не научились использовать такой ресурс, как отходы АЭС и других энергопредприятий.
Расчеты показывают, что выигрыш от использования сбросного тепла можно значительно повысить, если отходы одной отрасли (цеха) сделать "сырьем" для другой.
Тремя научными учреждениями - ВНИИ прикладной молекулярной биологии и генетики ВАСХНИЛ, институтами Гидропроект имени С. Я. Жука, Московским архитектурным - разработана модель и предложен проект мощного энергобиологического безотходного комплекса при АЭС, полностью работающего на сбросном тепле.
Что представляют собою отдельные элементы комплекса?
В первую очередь это теплицы. Растениеводство в закрытом грунте позволяет увеличить продуктивность используемой для этого земельной площади. Чтобы удовлетворить потребность населения нашей страны в ранних овощах, необходимо как минимум 30 тысяч гектаров теплиц (несколько более квадратного метра на каждого человека). Но чтобы обогреть эту площадь, нужно было бы ежегодно сжигать около 50 миллиардов кубометров природного газа. Цифра огромная и, признаться, нереальная. А ведь надо выращивать под стеклом не только ранние овощи, но и другие культуры.
Сегодня, чтобы получить в теплицах нужную для развития растений температуру, в качестве теплоносителя используют воду, нагретую приблизительно до 90 градусов, а основной системой обогрева служат трубопроводы.
Затраты на нее (а это 40 километров труб на каждом гектаре) вместе с котельной достигают 40 процентов затрат на сооружение тепличных комбинатов, а расходы на обогрев - половины себестоимости тепличной продукции.
Перспективы использования сбросного тепла побуждают разрабатывать конструкции принципиально новых теплиц: высотных, с обогревом от сухих градирен, гидротеплиц и теплиц-градирен. В последних теплую воду пропускают по их крыше, и, охлаждаясь, она обогревает теплицы и возвращается к энергоагрегатам. Даже зимой температура воздуха в теплицах остается всего на 1-3 градуса ниже, чем у обогревающей их воды.
Расчеты показывают, что отходов тепла обычных и атомных электростанций, а также промышленных предприятий страны достаточно для обогрева не менее 300 тысяч гектаров теплиц. Климатические условия в них будут сродни субтропическим, подчас даже лучше - ведь чаще всего в наших субтропиках невозможно выращивать без укрытия даже неприхотливые виды и сорта цитрусовых. Кроме традиционных овощных, в теплицах можно будет призводить немало других ценных растений - таких, как цветочные и ягодные, лекарственные. Часть этой площади можно использовать, причем с высокой отдачей, для ускорения процесса селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений.
Орошение теплыми водами открытого грунта даст возможность повысить урожайность культур по сравнению с обычным орошением на 20 процентов и более, а главное - продлить вегетационный период.
Сегодня достижения биологической науки, в том числе использование почвенных микроорганизмов, позволяет не только получать и перерабатывать пищевые продукты или корм для скота, они находят применение и в новых, подчас неожиданных областях. Почвенная микробиология породила не только биотехнологию, но и промышленную биоэнергетику.
Напомним, что Энергетическая программа СССР предусматривает на первом этапе создание материально-технической базы для широкого использования нетрадиционных источников энергии, в том числе энергии биомассы.
Понятие "биомасса", как известно, охватывает все вещества растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности и органические отходы, образующиеся в процессе их обработки. Частично она используется в качестве кормов и продуктов питания, строительного материала, сырья для промышленности, а также в энергетических целях - путем прямого сжигания или с помощью переработки с получением спиртов и биогаза. Общее количество биомассы, ежегодно образующейся на планете, в несколько раз превышает суммарную годовую мировую добычу нефти, газа и угля.
Производство и переработка продукции сельского хозяйства дают массу отходов: навоз, солома и т. д. Нередко они либо вообще не идут в дело, либо употребляются неэффективно. В городах очень велико количество жидких стоков и твердых отходов. Органические отходы в изобилии появляются при лесозаготовках, лесопилении, деревообработке. Правда, на их базе (но это лишь небольшая их часть) развернуто довольно крупное микробиологическое производство этилового спирта и кормовых дрожжей.
Получать топливо из биомассы можно двумя способами - с помощью термотехнических процессов или путем биотехнологической переработки. К последнему относятся анаэробное сбраживание с выходом биогаза, а также гидролиз с получением этилового спирта или кормовых дрожжей, биоводорода и ряда других продуктов. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что наибольшую перспективу открывает биологическая переработка органических веществ в биогаз. Он состоит из 50-70 процентов метана и 30-50 процентов окиси углерода. Его теплотворная способность составляет 4300-6000 килокалорий на кубический метр, что эквивалентно 0,6-0,8 килограмма условного топлива.
Брожение тонны органического вещества дает от 350 до 500 кубических метров биогаза. Процесс протекает непрерывно в реакторах (метатенках) объемом от нескольких кубометров до нескольких тысяч кубометров при температурах от 30 до 35 градусов Цельсия.
Безусловное достоинство такого способа - возможность использовать остаток органического вещества, образующегося в реакторах. Это обеззараженное, без запаха удобрение, для растений более ценное, чем обычный навоз.
На различные технологические нужды в сельском хозяйстве ежегодно расходуется около 50 миллионов тонн условного топлива. Если учесть, что в 1986-1990 годах намечается построить несколько сотен свинокомплексов с годовым откормом многих миллионов свиней, то общий выход жидкого навоза составит в год десятки миллионов кубических метров. Из него можно получить до 1,5 миллиарда кубометров биогаза (что эквивалентно 1 -миллиону тонн условного топлива), а кроме того - высококачественные удобрения, содержащие азот в виде аммония (200 тысяч тонн), окись фосфора (61 тысячу тонн), окись калия (84 тысячи тонн).
Предполагается также построить сотни комплексов крупного рогатого скота с откормом более 4,5 миллиона голов. Расчеты показывают, что только благодаря реализации отходов животноводческих комплексов и птицефабрик путем биологической конверсии можно получить дополнительно более 4 миллионов тонн условного топлива (50 процентов биогаза идет на поддержание процесса брожения), а также высококачественные удобрения в количестве, эквивалентном 3 миллионам тонн в пересчете на обычное минеральное удобрение.
Таковы лишь некоторые из направлений, по которым идет поиск принципиально новых решений, связанных с использованием биологических ресурсов и повышением их качества.
Почвенные животные предупреждают об опасности
Открытие атомной энергии и использование ее безграничных запасов - одно из самых выдающихся достижений науки XX века. Но успехи ядерной энергетики стали и источником серьезной и все растущей озабоченности во всем мире. И дело не только в угрозе атомной войны, способной вообще уничтожить человечество. Огромную опасность представляет и загрязнение биосферы радиоактивными веществами. Вызвано оно рассеиванием в атмосфере, в морях и океанах продуктов радиоактивного pscпада, проникновением их в почву и накоплением в сельскохозяйственной продукции и промысловых рыбах.
Радиоактивное загрязнение довольно просто и оперативно устанавливают приборы. Но практика показала, ч го как бы точны они ни были, только биологические индикаторы (растения, животные, микроорганизмы) позволяют перевести физические и химические показатели в величины, имеющие биологический смысл, то есть получить ответ на основной вопрос: пригодна ли та или иная срзда для жизни человека.
Как влияет радиация на клетки, ткани и целые живые организмы, каковы методы защиты от нее - этим занимается молодая наука - радиобиология. Одно из ее направлений - радиоэкология. Ее задача - анализ концентрации радионуклидов, изучение закономерностей изменения сообществ и популяций организмов, обитающих в условиях повышенной радиации.
Почвенные животные исключительно благодарный объект для радиоэкологических исследований: многие из них весьма чувствительны к действию радиации, в пищевых цепях они часто являются конечными звеньями и могут концентрировать радионуклиды. Животное население почв регулирует численность вредителей леса, что особенно важно в лесных районах, подвергшихся действию радиации. Тесная связь существует и между степенью радиоактивного загрязнения почв и экологией сельскохозяйственных вредителей в этих почвах. Наконец, почвенные животные - удобнейший биоиндикатор радиоактивного загрязнения территорий, так как численность их велика и достигает многих сотен тысяч особей на один квадратный метр, а характер питания фитофагов, сапрофагов и хищников достаточно постоянен, что позволяет установить пути и количественные закономерности миграции радионуклидов в биогеоценозе.
Почвенная фауна - наименее миграционная часть зооценоза, именно она теснее всего контактирует с радиоактивными загрязнениями и естественными радионуклидами, поскольку на суше все загрязнения, как радиоактивные, так и химические, рано или поздно попадают в почву.
Почвенная фауна и миграция нуклидов
Необходимость разработки биологических мер борьбы с возможными радиоактивными загрязнениями суши заставляет с особым вниманием отнестись к проблеме регулирования и направленной перестройки животного населения почв, изысканию путей интенсификации биологического круговорота веществ с помощью животных для связывания подвижных соединений радионуклидов и локализации очагов загрязнения в условиях естественных природных экосистем.
Одной из форм воздействия на очаг загрязнения могло бы быть расселение и создание условий для массового размножения таких почвенных животных, как кивсяки, которые в значительных количествах накапливают соли кальция и стронция, потребляют растительный опад (а он является одним из самых загрязненных искусственными радионуклидами горизонтов почвы) и в то же время не служат сами пищей для птиц, млекопитающих и хищных насекомых. Поэтому кивсяки могут быть эффективным депо таких радионуклидов, как стронций-90.
Как правило, больше радиоактивного стронция накапливают животные, которые откладывают кальций в покровах для увеличения их прочности почвенные моллюски, кивсяки, мокрицы. Эти животные с успехом могут использоваться в качестве биоиндикаторов загрязнения среды стронцием-90. В восточной Украине кивсяки и виноградные улитки накапливали этот радионуклид в 100 раз больше, чем его содержалось в дубовом опаде - пище этих животных.
Учитывая, что стронций-90 прочно связывается почвами и не весь включается в круговорот, можно предполагать, что зоогенная, то есть определяемая животными, миграция этого изотопа, во всяком случае, сравнима с вымыванием дождевыми водами или разносом ветром из биогеоценоза. Наибольшее значение здесь имеют почвенные миграции.
Обратимся теперь к другому загрязнителю - цезию-137. Интерес к этому элементу обусловлен не только чем, что это долгоживущий радионуклид (период полураспада - 29 лет) и один из основных агентов радиоактивного загрязнения биосферы. Существенно то, что миграция цезия-137 по трофическим цепям к человеку происходит через животных, через пищевые продукты животного происхождения: молоко, мясо, молочные продукты. Известно, что химически цезий близок калию, с которым и мигрирует по пищевой цепи. Подвижность цезия-137 в круговороте уменьшают микроорганизмы, которые связывают до 60 процентов изотопа, давая ему выщелачиваться из лесной подстилки. Видимо, важную роль в биогенной миграции цезия-137 должны играть почвенные грибы, в золе которых может содержаться до 45 процентов калия.
Освобождению этих элементов, их вовлечению в биогенный круговорот способствует деятельность почвенных животных, которые разрушают мертвую органику, частично ее перерабатывают и переваривают значительную часть микробной биомассы, переводя зольные элементы в подвижное, доступное высшим растениям состояние, как это было выяснено А. Д. Покаржевским в СССР, Д. Кроссли и М. Виткэмпом в США.
Радиоэкологическая обстановка для животных резко осложняется, если они постоянно обитают на участках с повышенным содержанием естественных радионуклидов.
В таких условиях отмечено резкое повышение концентрации радия позвоночными животными (в 6-132 раза), в меньшей степени - урана (0,3-12 раз), содержание тория не повышается. Особенно много радионуклидов накапливали грызуны, которые постоянно заселяли эти участки.
В пределах одного наземного биоценоза могут оказаться виды животных, сильно различающиеся по степени контакта с загрязненными участками, а следовательно, и с ионизирующим излучением. По этому признаку различают животных, случайно контактирующих с загрязнением, временно или постоянно. Но и при постоянном тесном контакте у животных, обитателей одной и той же территории, степень контакта неодинакова.
В СССР обстоятельно исследовали действие естественного радия-226 на комплексы почвенных животных. Изучаемые участки были невелики (1-2 гектара) и расположены на надпойменной террасе с луговой растительностью в подзоне средней тайги. Повышенный фон образовался из-за разлива подземных пластовых вод с повышенным содержанием радия. Четкие различия были обнаружены для всех массовых групп почвенных животных, которые развиваются долго и относительно малоподвижны, то есть постоянно обитают на участках с повышенным фоном радиации. Численность всех этих групп была на таких участках явно ниже, чем в контроле (объектами исследования являлись дождевые черви, личинки двукрылых и жуков-щелкунов). Меньшей оказалась-и общая заселенность почвы беспозвоночными.
Интересно, что особенно заметное угнетение испытывали дождевые черви. На участках с повышенным фоном радиации не только ниже была их численность, но и мельче размеры и наблюдалась задержка в развитии.
Таким образом, наибольшему воздействию радиации подвержены оседлые, длительно обитающие на участках с повышенным радиоактивным фоном группы животных, у которых наблюдается задержка развития и нарушения в функции эпителия поверхности тела и кишечника.
Действие радиации на почвенных животных хорошо прослеживается не только на участках, где уровень ее высок, но и там, где он низок, по-видимому, из-за больших дозовых нагрузок на почвенных животных по сравнению с наземными. Особенно удобным объектом для изучения можно считать дождевых червей, вероятнее всего, по той причине, что они облучаются не только извне, но и от почвы, которую заглатывают. У всех остальных наземных животных пища растительного или животного характера, в которой содержание естественных радионуклидов в 10-100 раз ниже, чем в почве.
Радиоактивное загрязнение среды и жизнь в почве
Опыты с облучением естественных, не нарушенных образцов почвы дозами 2,5-5 мегарад от кобальтового источника и в атомном реакторе подтвердили полную стерилизацию почвы, а также глубокие нарушения ее химического состава: содержание аммония в гумусовом слое облученной почвы возросло более чем в десять раз, и он в больших количествах появился в минеральном слое, где ранее полностью отсутствовал. Количество нитратов увеличилось преимущественно в минеральном слое почвы.
Микроорганизмы довольно быстро заселяли возвращенные в поле стерилизованные образцы, так что через девять дней те практически сравнялись с контролем и затем в течение двух месяцев заметно не отличались от контроля. Микроартроподы заселяли образцы значительно медленнее, через две недели встречались единичные особи, а через два месяца заселенность все еще сильно отставала от контрольной, особенно в образцах, где было мало грибов. При хроническом облучении леса в Брукхевене (США) отклонений в разложении лесной подстилки не наблюдали.
Показателем биологической активности почвы может считаться "почвенное дыханием - количество выделяемого с единицы поверхности углекислого газа. Когда почву подвергали острому облучению от мощного кобальтового источника дозой 800 и 2500 килорад, почвенное дыхание в обоих случаях резко сократилось. Наблюдения за микроорганизмами через шесть недель после облучения показали, что численность их резко упала. После хронического облучения дозой 800 килорад численность бактерий сократилась в почве почти в 40 раз по сравнению с контролем, грибов - в 6 раз. Острое облучение при 800 килорад вызвало падение численности бактерий в 2,5 раза, грибов - в 10 раз; при 2500 килорад бактерии исчезли вовсе через шесть недель.
Для изучения экологических последствий лучевых воздействий на естественные ценозы в условиях средней полосы СССР проводился многолетний эксперимент с острым гамма-облучением сосново-березового леса дозами 7-25 килорад.