В столице обнаружились собственные бактерии

Сотрудники Института биоинженерии им. К. Г. Скрябина и Института микробиологии им. С. Н. Виноградского, входящих в состав ФИЦ биотехнологии РАН (Москва), в ходе выполнения проекта Российского научного фонда отобрали пробы активного ила из девяти крупнейших очистных сооружений Москвы и проанализировали гены 16S рРНК их микробных обитателей. Благодаря особенностям своей структуры этот фрагмент ДНК используется для молекулярно-генетической идентификации микроорганизма.

В этой работе авторы сосредоточились на принадлежности микробов к разным таксономическим и физиологическим группам, чтобы понять, как различные подходы к очистке влияют на популяцию активного ила, а тот — на эффективность процесса. Хотя в целом микробное население разных очистных сооружений было схоже, обнаружились и отличия, обусловленные используемыми на очистных установках методами.

Анализ показал, что лучше всего работала технология, разработанная в Кейптаунском университете, суть которой заключается в определенном чередовании кислородных и бескислородных условий, что обеспечивает эффективное удаление микроорганизмами органики, углерода, азота и фосфора. Как и ожидали авторы, основу микробной популяции на установках с такой методикой составляли нитрифицирующие, денитрифицирующие и фосфат-аккумулирующие бактерии, с которыми другие штаммы не очень уживаются: им нужны особые условия среды.

Очистка методом нитрификации—денитрификации эффективно удаляла только органику и азот, соответственно, в иле были обнаружены микроорганизмы — нитрификаторы и денитрификаторы. Вместе с тем фосфат-аккумуляторов было мало, и фосфор оставался в системе; легко расщепляемую органику успешно перерабатывали гетеротрофы.

Худшие результаты эффективности очистки от органики и аммония показали очистные установки, где применялась традиционная аэробная система. Здесь не получили большого распространения обитатели бескислородных областей, однако из-за неидеального обеспечения реакторов кислородом (возможно, плохого перемешивания) внутри комков ила все же образовывались анаэробные участки. Здесь начинали действовать «поедающие» органику денитрификаторы, способные переработать лишь часть азотсодержащих соединений.

Также ученые проверили, насколько микробиомы активного ила московских очистных сооружений схожи с описанными в других странах. Оказалось, что они не похожи на европейские или иные группы и образуют отдельный кластер на «глобальном дереве». Вероятно, составы микробиомов в большей степени обусловлены характеристиками сточных вод, которые определяются экологическими, экономическими и культурными особенностями каждого конкретного города, чем особенностями используемой технологии очистки. Например, в Москве цены на воду для использования в быту относительно низки, можно не экономить, и в канализацию поступают довольно разбавленные растворы органики, а потому ее концентрация оказывается ниже, чем в других крупных городах мира.

Андрей Марданов, доктор биологических наук, руководитель Центра метагеномики и инженерии микробных сообществ ФИЦ биотехнологии РАН:

— Как работают сооружения для очистки сточных вод?

— Поступающая на московские очистные сооружения сточная вода проходит несколько ступеней очистки. Первая ступень — механическая очистка, включающая процеживание воды на решетках, улавливание минеральных примесей в песколовках и отстаивание воды в первичных отстойниках. Вторая ступень включает биологическую очистку воды в биореакторах-аэротенках и последующее отделение ила от очищенной воды во вторичных отстойниках. В биореакторах очистка сточных вод осуществляется с помощью активного ила при принудительной подаче воздуха. При этом микроорганизмы активного ила удаляют из воды органическое вещество, соединения азота и фосфора. Перед сбросом в водоемы очищенные сточные воды обеззараживаются ультрафиолетом.

— Как проходит биологическая очистка?

— Суть биологической очистки заключается в удалении из воды основных загрязнителей — органического вещества, азота и фосфора — при помощи активного ила, а точнее, микроорганизмов, обитающих в активном иле. Для этих микроорганизмов загрязняющие вещества — источник питания, и, потребляя их, они тем самым осуществляют очистку воды. Процесс биологической очистки происходит в больших биореакторах-аэротенках, содержащих активный ил. В эти биореакторы подают сточную воду и в зависимости от технологии аэрируют, чтобы обеспечить микроорганизмы необходимым для их жизнедеятельности количеством кислорода.

— Какой вид биологической очистки работает лучше всего?

— Существует множество вариантов биологической очистки. Например, ил в биореакторах может быть свободноплавающим или развиваться в виде биопленок на специальном загрузочном материале. Вместо биореакторов-аэротенков могут использоваться биологические фильтры. Существуют различные технологические модификации биологической очистки, в которых «работают» те или иные группы микроорганизмов. Нельзя выделить наилучший способ очистки. Выбор способа определяется целым комплексом факторов: составом очищаемой воды, ее количеством, необходимой степенью очистки, климатическими условиями, экономическими соображениями и т. п. Нужно отметить, что технологии очистки сточных вод непрерывно совершенствуются благодаря научным исследованиям, опыту эксплуатации уже работающих очистных сооружений, появлению новых материалов. В целом идет постепенное замещение старых технологий новыми, более эффективными.

— Какими еще методами можно очищать воду?

— Еще используются физико-химические методы очистки. Например, реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, фильтрация, хлорирование. Однако эти методы в основном применяют для очистки не городских, а промышленных сточных вод.

Подготовила Мария Грибова