Водоемы, в которые попадает значительное количество фосфора «зацветают», вода в них мутнеет, теряя кислород, что приводит к гибели рыбы, ракообразных, моллюсков и других обитателей. При этом 35% загрязнения водоемов фосфором происходит из-за сброса недостаточно очищенных сточных вод — это второй по величине фактор после сельского хозяйства (62%). Внедрение на очистных сооружениях технологии очистки стоков от фосфора помогает избежать этой проблемы или уменьшить ее масштабы. Однако нередко возникают значительные сложности при переходе на новую технологическую схему. Исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН в лабораторных условиях изучили, как меняется микробное сообщество активного ила очистных сооружений при смене традиционной технологии на современную технологию глубокого биологического удаления фосфора (EBPR — Enhanced Biological Phosphorus Removal). Статья с результатами их работы опубликована в журнале Water.
Технология EBPR — самая экологичная и эффективная из существующих методов очистки сточных вод от фосфора. В этой технологии используются фосфат-аккумулирующие организмы (ФАО), которые накапливают внутри своих клеток намного больше соединений фосфора, чем обычные микробы. К ФАО относятся в основном бактерии из родов Accumulibacter, Azonexus и Tetrasphaera. Эти бактерии широко распространены в активных илах всех сооружений, работающих по схеме EBPR, однако до сих пор их не удалось получить в чистых культурах и детально изучить их свойства.
В промышленных масштабах ФАО хорошо выполняют свою работу при циклическом чередовании условий среды: аэробных (в присутствии кислорода) с «голоданием» и анаэробных (без кислорода) с большим количеством органики. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из Казанского национального исследовательского технологического университета проанализировали изменения микробного сообщества активного ила, происходящие после перехода с обычной технологии очистки сточной воды к процессу глубокого биологического удаления фосфора.
«Мы поставили цель выяснить закономерности переходного процесса от «обычной» двухстадийной аноксидно/аэробной технологии удаления органического вещества и азота на анаэробно/аэробную технологию EBPR. Какие группы ФАО будут развиваться? Будет ли сукцессия сообщества плавной сменой обычной микрофлоры на бактерии ФАО с постепенным возрастанием способности к удалению фосфора, или картина переходного периода будет более сложной? Ответы на эти вопросы необходимы для разработки оптимальной эксплуатационной стратегии управления очистными сооружениями и повышения эффективности очистки сточных вод в переходный период», — отметил соавтор работы, доктор биологических наук Николай Пименов, заместитель директора по научной работе ФИЦ Биотехнологии РАН.
Микробиологи поместили активный ил из городских очистных сооружений Иннополиса (Республика Татарстан) в биореактор, работающий по технологии EBPR, и изучали состав микробного сообщества и удаление фосфора на разных промежуточных этапах.
Во время эксперимента аэробные и анаэробные фазы чередовались примерно каждые три часа. Культуру постоянно перемешивали, а температуру среды поддерживали на уровне около 20 °С. Кислотно-щелочной баланс среды при этом не регулировали, в конце аэробного периода значение рН составляло 7,8 – 7,9. В самом начале, а затем на 19-е, 29-е, 64-е и 83-и сутки ученые секвенировали образцы выделенного из активного ила ДНК, определяя состав бактерий сообщества по их 16S рибосомной РНК.
Микробиологи обнаружили, что изменение сообщества активного ила проходит в три стадии. В первые 15-20 суток адаптации происходило быстрое увеличение численности микроорганизмов группы ФАО. На второй стадии, которая продолжалась до двух месяцев с начала эксперимента, на первый план в этой группе вышли бактерии из рода Azonexus, которые составляли 18-23% численности всего сообщества. В этот период шло активное удаление фосфора с эффективностью 40,6 – 51,1% от максимальной. После этого, 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 показал, что переходный период — не постепенная смена одних микроорганизмов другими, а более сложный процесс, в течение которого несколько раз может происходить радикальное изменение состава микробного сообщества. Мы наблюдали сначала быстрое развитие одних представителей ФАО — Azonexus, а затем их вытеснение другими ФАО — более приспособленными к анаэробно/аэробному режиму. Это сопровождалось и варьированием способности удалять фосфор. Поэтому увеличение и падение эффективности удаления фосфора после перехода на современные технологии может быть связано не с нарушением режима эксплуатации сооружений очистки сточных вод, а с естественным ходом микробной сукцессии в активном иле. Наши результаты необходимо проверить в масштабе настоящих очистных сооружений, и провести долгосрочный мониторинг динамики микробного сообщества в переходные периоды», — прокомментировал кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН Александр Дорофеев, соавтор научной статьи.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
