Водоемы, подверженные значительному поступлению фосфора, начинают «цвести», вода в них становится мутной и обедняется кислородом, что приводит к гибели рыбы, ракообразных, моллюсков и других водных организмов. При этом 35% фосфорного загрязнения водоемов обусловлено сбросом недостаточно очищенных сточных вод – это второй по значимости фактор после сельскохозяйственной деятельности (62%). Использование технологий очистки стоков от фосфора на очистных сооружениях позволяет предотвратить возникновение данной проблемы или снизить ее влияние. Тем не менее, переход к новой технологической схеме часто сопряжен со значительными трудностями. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН провели лабораторные исследования, чтобы проанализировать изменения, происходящие в микробном сообществе активного ила очистных сооружений при замене традиционной технологии на современную технологию глубокого биологического удаления фосфора (EBPR – Enhanced Biological Phosphorus Removal). Результаты их работы представлены в статье опубликована в журнале Water.
EBPR – наиболее экологичный и результативный способ удаления фосфора из сточных вод, доступный на сегодняшний день. Данная технология основана на использовании фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО), способных накапливать значительно больше фосфорных соединений в клетках, чем обычные микроорганизмы. В число ФАО преимущественно входят бактерии, относящиеся к различным родам Accumulibacter, Azonexus и Tetrasphaera. Эти бактерии встречаются повсеместно в активном иле всех сооружений, использующих технологию EBPR, но до настоящего времени их не удается выделить в чистых культурах и всесторонне исследовать их характеристики.
В промышленных условиях ферментативные системы, используемые ФАО, эффективно функционируют при последовательной смене условий окружающей среды: от аэробных (с наличием кислорода) до фаз «голодания» и анаэробных (без кислорода), сопровождающихся избытком органических веществ. Специалисты из Федерального исследовательского центра биотехнологии РАН в сотрудничестве с исследователями Казанского национального исследовательского технологического университета провели анализ изменений в микробном сообществе активного ила, возникших вследствие перехода с традиционной технологии очистки сточных вод к процессу интенсивного биологического удаления фосфора.
«Целью нашей работы было определение закономерностей изменения технологии очистки, переходящей от традиционной двухстадийной системы, сочетающей анаэробные и аэробные процессы, к анаэробно/аэробной схеме EBPR. Какие группы ФАО будут развиваться? Произойдет ли последовательная замена естественной микрофлоры на бактерии ФАО, сопровождающаяся постепенным улучшением способности к удалению фосфора, или же переходный этап будет характеризоваться более сложными процессами? Понимание этих аспектов крайне важно для создания эффективной стратегии управления очистными сооружениями и оптимизации очистки сточных вод в период адаптации», – как указывает один из авторов исследования, доктор биологических наук Николай Пименов, заместитель директора по научной деятельности Федерального исследовательского центра биотехнологии Российской академии наук.
Микробиологи провели исследование состава микробного сообщества и эффективности удаления фосфора на различных этапах работы биореактора, в который поместили активный ил из городских очистных сооружений Иннополиса (Республика Татарстан). Технология, используемая в биореакторе, – EBPR.
В ходе эксперимента аэробные и анаэробные стадии сменяли друг друга приблизительно каждые три часа. Культуру непрерывно перемешивали, а температура среды поддерживалась на уровне около 20 °С. Регулирование кислотно-щелочного баланса среды не проводилось, и к завершению аэробной фазы pH достигала значения 7,8–7,9. На начальном этапе, а также на 19-е, 29-е, 64-е и 83-и сутки исследователи проводили секвенирование ДНК, выделенной из активного ила, чтобы определить состав бактериального сообщества на основе анализа их 16S рибосомной РНК.
Микробиологические исследования показали, что изменение состава активного ила протекает в три этапа. В первые 15-20 дней адаптации наблюдалось стремительное увеличение количества микроорганизмов группы ФАО. На втором этапе, который длился до двух месяцев с начала эксперимента, доминирование в этой группе перешло к бактериям определенного рода Azonexus, которые формировали 18-23% от общего числа особей. На данном этапе наблюдалось интенсивное выведение фосфора, достигавшее 40,6-51,1% от максимально возможного значения. Затем, на третьей стадии, доля Azonexus быстро снижалась до 1%, и развивалось сообщество с менее выраженными признаками ФАО. К концу эксперимента в активном иле доминировали уже другие бактерии группы ФАО: до 8,3% составляли наиболее распространенные на сооружениях фосфат-аккумулирующие бактерии Candidatus Accumulibacter, а также фосфат-аккумулирующие представители Comamonadaceae (до 22%) и Thiotrichaceae — до 14,8%. Эффективность удаления фосфора при этом снижалась до 27,2-31,4%.
«Наш эксперимент продемонстрировал, что переходный период представляет собой не плавное замещение одних микроорганизмов другими, а более комплексный процесс, в ходе которого несколько раз возможно резкое изменение состава микробного сообщества. Мы зафиксировали первоначально стремительное развитие определенных представителей ФАО – Azonexus, впоследствии эти ФАО вытесняются другими, более адаптированными к анаэробным и аэробным условиям. Этот процесс сопровождается изменениями в способности к удалению фосфора. Таким образом, колебания эффективности удаления фосфора после внедрения современных технологий могут быть обусловлены не отклонениями в работе очистных сооружений, а естественным изменением микробного сообщества в активном иле. Для подтверждения полученных данных необходимы исследования в реальных условиях очистных сооружений с долгосрочным наблюдением за динамикой микробного сообщества в периоды перехода» , — пояснил кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Федерального исследовательского центра биотехнологии Российской академии наук Александр Дорофеев, один из авторов научной работы.
Материалы и фотографии поступили из пресс-службы Федерального исследовательского центра «Биотехнологии» РАН