Подземные воды являются одним из основных источников питьевой воды для людей. Специалисты из Федерального исследовательского центра биотехнологии РАН провели лабораторные испытания нескольких методов очистки холодных подземных вод, направленных на одновременное удаление нитратов и аммония с использованием микроорганизмов. Кроме того, они разработали концепции автономных микробных сообществ, способных не только решать эту задачу, но и длительное время поддерживать свою жизнедеятельность. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) 21-64-00019-П, опубликованы на страницах научного журнала Science of the Total Environment.
Вода с повышенным содержанием нитратов и аммония представляет угрозу для здоровья человека: в организме нитраты превращаются в нитриты, которые оказывают негативное воздействие на гемоглобин, обеспечивающего транспортировку кислорода в крови, а аммоний вызывает сбои в кислотно-щелочном балансе, а также репродуктивной и нервной системы. Помимо этого, употребление такой воды увеличивает вероятность развития онкологических заболеваний. В связи с этим, удаление азота из подземных вод имеет значение не только с экологической, но и с медицинской точек зрения. Одним из возможных подходов к решению этой задачи является биоремедиация, позволяющая перерабатывать опасные загрязнители или уменьшать их концентрацию с помощью микроорганизмов. Специалисты Федерального исследовательского центра биотехнологии РАН в сотрудничестве с учеными из других российских научно-исследовательских институтов и высших учебных заведений изучили различные методы и определили наиболее эффективные для очистки холодных подземных вод от нитратов и аммония.
«Оценка эффективности различных подходов к биоремедиации была проведена для очистки подземных вод, сильно загрязненных и имеющих температуру 10 ◦Для достижения этой цели мы применяли несколько микробных сообществ, участвующих в восстановлении нитратов, а также в аэробном и анаэробном окислении аммония» , — рассказал соавтор научной статьи Юрий Литти, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.
Биологи изучили, как различные комбинации микроорганизмов, вовлеченных в азотный цикл, осуществляют очистку холодной воды. В ходе исследования были рассмотрены три основных этапа: нитрификация, представляющая собой биологическое окисление аммиака до нитритов и нитратов, денитрификация, или восстановление нитратов до нитритов, а затем до молекулярных оксидов и газообразного азота, а также анаммокс — анаэробное (без использования кислорода) окисление аммония. Также исследователи обратили внимание на экологические ниши, которые эти микроорганизмы занимают, на условия, необходимые для их жизнедеятельности, и на то, какие гены определяют эффективность биоремедиации.
Проведение испытаний в биореакторах, воспроизводящих условия, характерные для подземных вод, позволило определить наиболее эффективные методы очистки холодной воды в различных ситуациях. При максимальной концентрации загрязнителей (7,1 грамма на литр для нитратов и 0,3 грамма на литр для аммония) наиболее результативной оказалась комбинация частичной денитрификации и анаммокса. В ситуациях с меньшей степенью загрязнения (1 грамм на литр для нитратов и 0,17 грамма на литр для аммония) предпочтительнее оказалась последовательная схема, включающая нитрификацию с последующей денитрификацией.
За нитрификацию отвечали микроорганизмы родов Nitrospira и Nitrosomonas, а за процессы денитрификации и анаммокс — Tolumonas, Acidovorax, Pseudomonas, Nocardioides и Candidatus Kuenenia – это микроорганизмы, которые играют важную роль в круговороте азота в природе. Однако, благодаря биотехнологиям, удалось ускорить работу естественного подземного сообщества, обогатив его культивированными микроорганизмами, в которых преобладают представители рода Candidatus При первом использовании загрязненной воды для достижения полной очистки от азотсодержащих соединений требовалось от 80 до 87 дней, в то время как при повторном использовании этот период сократился до 51-52 дня.
«Для формирования сообщества микроорганизмов мы отобрали виды, способные не только утилизировать загрязнители, но и создавать прочную биопленку с равномерным распределением клеток. С помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии было подтверждено, что наше сообщество находится в стабильном состоянии и способно длительное время выполнять свои задачи» , — рассказал соавтор исследования Юрий Литти.
Информация предоставлена пресс-службой ФИЦ Биотехнологии РАН