Как бактерии очищают воду?

Необходимо предотвратить загрязнение водных источников, прежде всего питьевых, поэтому вопрос очистки сточных вод — это глобальная проблема, стоящая перед любым городом независимо от размера. Сейчас нет ни одной технологии очистки стоков крупных городов, в которой не использовались бы микроорганизмы. Все мы знаем домашние фильтры для очистки воды: в них удаляются в основном крупные частицы. Существуют системы с обратным осмосом, в которых удаляются даже анионы и катионы — вода становится близка к дистилляту. Для крупных городов применять такие системы очень дорого. Нужно производить специальные мембраны, которые будут задерживать вредные соединения. И если в масштабах одной семьи такие мембраны по карману, то, если их применять для очистки коммунальных сточных вод на уровне городов, стоимость этого процесса вырастет в несколько раз. А вот с помощью микроорганизмов очищать воду значительно дешевле. Поэтому по всему миру в очистных сооружениях используют возможности микробных сообществ.

Микроорганизмы могут справиться практически с любыми соединениями, которые есть в сточных водах, кроме некоторых ксенобиотиков. Мы знаем, что даже к антибиотикам рано или поздно развивается устойчивость: микробы учатся бороться с химическими соединениями, синтезированными человеком. А все компоненты бытовых сточных вод — органические вещества, многие соли — это очень хороший субстрат. С точки зрения микроорганизмов они, конечно, не очищают воду — они просто в ней живут, поедают разные вещества и, сами того не зная, оказывают нам помощь.

История очистных сооружений

В 1898 году были запущены первые очистные сооружения в Москве, через которые проходила сточная вода, поступающая из 220 домов. Тогда не пришлось подбирать каких-то специальных микроорганизмов для очистки: микробное сообщество формируется само, независимо от нашего желания. Можно ему чем-то помогать, если хорошо понимать, как оно живет, но создавать искусственную микробиологическую систему не нужно. Например, процесс денитрификации — удаления нитратов — напрямую зависит от содержания органического вещества. Донор электронов — органическое вещество, акцептор — нитрат, поэтому для того, чтобы процесс пошел быстрее, нужно просто добавить низкомолекулярное органическое вещество, съедобное для микробов. Если по каким-то причинам состав сточных вод меняется, то меняется и микробное сообщество. Например, такое происходит во время Масленицы, когда люди активно жарят блины и в сточных водах становится больше масла.

Технологически достаточно построить правильное очистное сооружение, создать необходимые условия и подождать, пока оно заселится нужными микробами. Ждать придется несколько недель, но потом сформированное микробное сообщество, активный ил, будет работать вечно, пока есть сточная вода. Основной резервуар любого очистного сооружения — это аэротенк, представляющий собой огромную ванну, куда поступает вода после предварительной очистки от крупных частиц и отстаивания взвесей. В аэротенках живут аэробные микроорганизмы, и нужно правильно обеспечить режим подачи кислорода. Расчет необходимых условий — задача специалистов-микробиологов и технологов. Если все рассчитано правильно, в резервуаре образуются флоккулы активного ила — сообщества микроорганизмов, которые обеспечивают максимально эффективное потребление загрязняющих веществ из воды.

Вода на московских очистных сооружениях не нагревается, и в течение года температура колеблется от 15 до 25 градусов. Поэтому необходимо бороться с возможными патогенами — воду дополнительно хлорируют или озонируют. Правильно очищенная сточная вода по многим показателям чище воды того водоема, куда сбрасываются стоки.

Виды загрязнений

В нашей лаборатории исследуются методы очистки воды от биогенного азота и фосфора. Почему важно очищать воду от этих соединений? Азот — это компонент мочевины и аммония, которые присутствуют в бытовых сточных водах. Множество микроорганизмов с большим удовольствием используют аммоний и превращают его через нитрит в нитрат. Фосфаты входят в состав стиральных порошков и моющих средств, которые мы используем ежедневно. Когда мы сбрасываем аммоний, нитраты и фосфаты в реки, обилие азота и фосфора вызывает бурное развитие планктона. А бесконтрольное развитие планктона означает цветение и гибель водоема. Прежде всего, в цветущих водоемах полностью нарушается газообмен, из-за этого гибнут рыбы и бентосные животные. Поэтому во всех странах мира для сохранения природы вокруг мегаполисов воду чистят от азота и фосфора.

Избавиться от нитратов можно в анаэробном процессе: для микроорганизмов нитрат — это прекрасный акцептор электронов, который в ряде случаев может заменить кислород. В результате восстановления из нитратов образуется газообразный азот, который уходит в атмосферу и становится абсолютно безвредным. Этот способ достаточно дешевый, но требует участия микробиологов, потому что необходимо заменить аэробный режим очистки на анаэробный. Даже если внешне вода просто перетекает из одной ванны в другую, на самом деле внутри происходят сложные многостадийные микробиологические процессы, которые точно рассчитаны.

Аккумуляция фосфата — процесс, который не изучен до конца. Несмотря на все наши высокие технологии, никому в мире пока не удалось выделить чистую культуру микроорганизмов, которые умеют это делать. Они в аэробных условиях забирают фосфат из внешней среды и накапливают его, а потом клетки поступают в анаэробный реактор уже без кислорода и начинают использовать фосфат для своего метаболизма. Анаэробные условия формируются естественным образом, как только мы перестаем аэрировать воду.

Выросшую биомассу микроорганизмов активного ила необходимо регулярно удалять, и таким образом происходит одновременно и удаление того фосфора, который они поглотили из стоков. При этом получить чистую культуру и детально исследовать, как все-таки происходит накопление фосфата, не получается. Одна из причин — сложности выращивания этих фосфатаккумулирующих бактерий в условиях резких изменений параметров культивирования. Хотя сегодня молекулярно-генетические методы позволяют и без этого провести анализ и посмотреть, какие гены работают в разных условиях, но все-таки одна из основных задач микробиолога — получить чистую культуру. Это позволяет понять все тонкости метаболизма микроорганизма, а значит, дает возможность влиять на него, совершенствовать имеющиеся и создавать новые технологии очистки сточных вод.

Поиск новых способов очистки воды

Природа человека такова, что нам хочется произвести только одно действие, чтобы разом избавиться от всех проблем: принять одну таблетку от любого недуга, провести одну операцию и избавиться от тяжелого заболевания. Следуя этой логике, заманчива перспектива с помощью редактирования генома создать суперорганизм, который будет универсально очищать воду от любых загрязнений. Но в очистных сооружениях находятся тысячи соединений, сотни специфических микроорганизмов, и создать суперорганизм, который бы объединил все их свойства, — это практически нерешаемая задача сегодня. Сложно даже представить, какого размера геном получился бы в этом случае. Может быть, он будет превышать геном человека.

Поэтому правильнее искать способы создания наиболее благоприятных условий для целевой группы организмов. Это целая комбинация физико-химических факторов и питательных субстратов, и технологии для ее реализации существуют. На многих крупных очистных сооружениях есть метантенки — ферментеры, куда подаются избытки наросшего активного ила и осадки сточных вод. Там они сбраживаются в бескислородных условиях, и конечный продукт этих реакций — метан. А метан — это биогаз, который можно использовать, например, для обогрева. После отделения сброженного осадка остается жидкая фаза, в которой содержится очень много аммония. Его тоже надо удалять. Здесь становится эффективна технология под названием анаммокс — анаэробное окисление аммония нитритом с образованием газообразного азота. Это альтернатива денитрификации в условиях высокого содержания аммония. В России такие системы находятся пока только на стадии развития, но за рубежом уже сотни установок работают по такому принципу. Микробиология открывает новые перспективы в развитии очистного дела.

Всегда существуют риски сбоя в работе аэротенков. Для оценки состояния системы необходимо производить контроль качества воды на входе и выходе. Может измениться температура, рН, появиться токсины, что приведет к сбою процесса очистки: например, в конечной воде может обнаруживаться повышенное содержание фосфора. Это означает, что очистка идет плохо, нужно быстро разобраться, в чем причина. Поэтому многие микробиологические задачи формируются на стыке фундаментальных и прикладных исследований. Если мы понимаем, что происходит с микроорганизмом, то нам легче понять, что делать в случае каких-то технологических сбоев. Может быть, надо добавить кислород, снизить долю ила или изменить потоки сточных вод. Такими простыми решениями можно вернуть систему в режим нормального функционирования.

Разумное потребление и сортировка отходов

В России задумались об экологии и стали говорить о ней только в последние 10–15 лет. Еще на рубеже 1990-х и 2000-х мы считали, что наша страна гигантская — мусорные свалки нестрашны, просторы наши широки, а места для всех свалок хватит, сибирские реки и Байкал всегда будут чистыми. Но оказалось, что если мы не будем ставить нормальные очистные сооружения вокруг Байкала, то в скором времени потеряем этот уникальный источник чистой питьевой воды.

Сейчас стало понятно, что бытовые отходы необходимо сортировать и повторно использовать. Стекло, пластик и многие другие материалы можно перерабатывать и повторно использовать. Одна из актуальных задач — разработка технологий для эффективной переработки органической фракции в отходах пищевой промышленности. Помимо органики, микроорганизмы способны использовать даже тяжелые металлы, десорбировать и трансформировать их. Кадмий, марганец, медь, цинк не являются токсичными для многих микробов. Их вообще сложно отравить чем-то, кроме антибиотиков и ультрафиолета. Есть даже удивительный микроорганизм, который выдерживает гигантские дозы радиации и способен нормально жить в непосредственной близости от ядерного реактора. Одним словом, то, что для нас смертельно, для микроорганизмов очень часто не представляет опасности. Они быстро учатся использовать окружающие субстраты для своей жизнедеятельности. И скорее всего, научатся перерабатывать и полиэтилен, и трудноразлагаемые пластики, и те соединения, которые кажутся невозможными для использования сейчас.

Сегодня во многих лабораториях мира и, в частности, в нашем центре ведутся исследования по поиску и исследованию организмов, участвующих в переработке органического вещества свалок. Итогом будут новые и усовершенствованные известные технологии переработки твердых бытовых отходов, и наша планета будет чище.

Источник: Постнаука