Чистота питьевой воды — основа здоровья и благополучия общества. Подземные воды традиционно служат неиссякаемым источником качественной питьевой воды, однако во многих регионах мира проблема загрязнения азотсодержащими соединениями стоит особенно остро. С целью противодействия этой угрозе специалисты ФИЦ Биотехнологии РАН при поддержке Российского научного фонда (РНФ) внедряют инновационные биотехнологические решения для эффективной очистки подземных вод от нитратов и аммония. Полученные результаты демонстрируют оптимизм и перспективу широкого внедрения разработанных методов в отечественную практику водоочистки.
Современные вызовы: почему важно устранять нитраты и аммоний?
Азотсодержащие примеси, такие как нитраты и аммоний, часто попадают в подземные водоносные горизонты вследствие широкого применения удобрений в сельском хозяйстве и сбросов сточных вод. Нитраты, попав в организм, преобразуются в нитриты, искажают работу гемоглобина, ухудшают транспортировку кислорода в кровеносной системе, а аммоний дестабилизирует кислотно-щелочной баланс, затрагивает нервную и репродуктивную системы человека. Накопление этих веществ связано с увеличением риска возникновения злокачественных заболеваний, что подчеркивает острую необходимость быстрого и полного очищения водоисточников от азотсодержащих загрязнений.
Введение биоремедиационных методов — революционный подход в решении данной задачи. Использование специально подобранных микробных сообществ позволяет не только эффективно сокращать уровень опасных примесей, но и предотвращать их повторное накопление благодаря устойчивой самоподдерживаемой микробиоте.
Инновационные биотехнологические методики: совместная работа уникальных микроорганизмов
Научная группа ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с ведущими отечественными вузами и исследовательскими центрами тщательно проанализировала разнообразие биотехнологических решений, направленных на устранение нитратов и аммония в холодных подземных водах. Экспериментальные исследования проходили в лабораторных биореакторах, моделирующих реальные условия подземных горизонтов при низкой температуре (10°С).
Ключевыми участниками процессов биологической очистки стали микроорганизмы родов Nitrospira и Nitrosomonas, отвечающие за выполнение нитрификации — интенсивного окисления аммиака до нитритов и далее до нитратов. Далее проблему устранения азотсодержащих примесей решали микробы родов Tolumonas, Acidovorax, Pseudomonas, Nocardioides и, в особенности, Candidatus Kuenenia — ведущие агенты анаэробного окисления аммония (анаммокс) и эффективной денитрификации.
Научные открытия: оптимальные стратегии сочетания нитрификации, денитрификации и анаммокс
В процессе подробного сопоставления различных режимов и сочетаний микробных сообществ ученые фокусировались на трех важнейших биохимических процессах:
- нитрификации — ферментативное преобразование аммония до нитритов, а затем до нитратов с помощью Nitrospira и Nitrosomonas;
- денитрификации — поэтапное восстановление нитратов сначала до нитритов, затем до газообразных соединений азота за счет деятельности Pseudomonas и других бактерий;
- анаммокс — анаэробное окисление аммония с использованием Candidatus Kuenenia.
Было установлено, что для вод с высокой концентрацией загрязняющих веществ (7,1 г/л по нитратам и 0,3 г/л по аммонию) наилучшее качество очистки достигается при комбинации частичной денитрификации с анаммокс функцией. При пониженных загрязнениях (1 г/л нитратов, 0,17 г/л аммония) оптимальной оказалась последовательность «нитрификация — денитрификация». Такой подход обеспечивает максимальный уровнь удаления нежелательных компонентов и минимальные затраты времени и ресурсов.
Уникальные свойства микробных сообществ: эффективность, стабильность и самоподдержка
Особое внимание ученых привлекло формирование самодостаточных и устойчивых сообществ микроорганизмов, способных эффективно существовать и выполнять сложные биохимические реакции длительное время без внешнего вмешательства. Для этого проводилось обогащение микробиоты — биоаугментация, в ходе которой нативная микробная популяция подземных вод усиливалась специально выращенными видами, преимущественно доминировал род Candidatus Kuenenia, известный своими мощными анаммокс-свойствами.
Результаты показали положительную динамику ускорения процессов очистки: при первом поступлении загрязненной воды полный цикл восстановления состава занимал 80–87 суток, тогда как повторное внесение обеспечило достижение цели уже за 51–52 дня. Такой прогресс сулят широкие возможности по масштабированию технологии и снижению затрат при организации очистных станций.
Применение конфокальной лазерной сканирующей микроскопии позволило убедиться, что биопленка, сформированная из специально подобранных микробов, характеризуется равномерной структурой и высокой устойчивостью, а также способна стабильно работать на протяжении длительного времени.
Вклад российской науки и перспективы внедрения
Успехи профессиональной команды ФИЦ Биотехнологии РАН, осуществляющей исследования при поддержке Российского научного фонда, укрепляют лидирующие позиции российской науки в сфере экологических биотехнологий. Внедрение разработанных методик потенциально позволит увеличить доступность качественной питьевой воды, минимизировать затраты на эксплуатацию очистных систем, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Особую ценность представляет универсальность предложенного подхода, который может быть адаптирован к различным природным и технологическим условиям. Кроме того, постоянное совершенствование состава и коммуникативных свойств микробных сообществ открывает путь к дальнейшему сокращению времени очистки и повышению ее полноты.
От лаборатории — к чистой воде по всей стране
Практические результаты, полученные благодаря совместным усилиям отечественных научных коллективов и поддержке фонда РНФ, уже находят отклик в профессиональном сообществе и обсуждаются как платформа для разработки новых очистных предприятий. Использование уникальных микроорганизмов: Nitrospira, Nitrosomonas, Tolumonas, Acidovorax, Pseudomonas, Nocardioides и Candidatus Kuenenia — подчеркивает неисчерпаемые возможности природы в деле восстановления баланса экосистем и защиты здоровья населения.
Эти успехи вселяют уверенность в то, что ближайшее будущее отечественного водоснабжения будет связано с инновационными, экологичными и максимально эффективными подходами, способными справиться даже с самыми сложными задачами очистки подземных вод. Надежность новых биотехнологий подтверждена реальными экспериментами, а совместная работа профессионалов ФИЦ Биотехнологии РАН и Российского научного фонда становится примером для мирового научного сообщества.
Источник фото: iftikharalam / ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
