Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН определили группы микроорганизмов, населяющих активный ил девяти крупных очистных сооружений Москвы и обеспечивающих стадию биологической очистки сточных вод. Очистные установки используют разные методики, а потому и составы популяции микробов на них отличались, равно как и эффективность. Результаты работы, опубликованной в журнале Scientific Reports, помогут разработать рекомендации для подбора оптимального подхода к очистке воды и обогащения активного ила определенными штаммами.
Вода, которая используется в быту, сельском хозяйстве и на различных предприятиях, неизбежно загрязняется, и возвращать ее в таком виде в природу опасно как для экологии, так и для людей, которые так или иначе ее используют и даже просто находятся рядом. Именно поэтому все сточные воды, поступающие в городскую канализацию, проходят многоступенчатую очистку: механическую, биологическую, физико-химическую и дезинфекционную.
Биологическая обработка происходит при помощи микроорганизмов в составе так называемого активного ила и предполагает удаление органических веществ и биогенных элементов — углерода, азота и фосфора. Микробы используют компоненты сточных вод для получения энергии и постройки своих клеток, заодно превращая их в безвредные или менее опасные соединения.
«В зависимости от того, что содержится в среде, какова температура и технология обработки, а также загруженность очистного сооружения, в активном иле будут преобладать те или иные группы микроорганизмов. Поскольку ряд штаммов нельзя культивировать в условиях лаборатории, мы многого не знаем о том, кто помогает нам очищать сточные воды. Это очень важно как для подбора оптимальных технологий очистки сточных вод, так и для оценки эффективности работы очистных сооружений», — рассказывает научный сотрудник центра метагеномики и инженерии микробных сообществ ФИЦ Биотехнологии РАН Шахжахон Бегматов.
Сотрудники Института биоинженерии имени К.Г. Скрябина и Института микробиологии имени С.Н. Виноградского, входящих в состав ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва), в ходе выполнения проекта Российского научного фонда (№ 21-64-00019) 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 определения систематического и эволюционного положения микроорганизма. В данной 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 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 аммиака показали очистные установки, где применялась традиционная аэробная система. Здесь не получили большого распространения обитатели безкислородных областей, однако из-за неидеального обеспечения реакторов кислородом (возможно, плохого перемешивания) внутри комков отходов 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 схож с описанным 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.
«Результаты нашей работы помогут улучшить технологии очистки сточных вод с учетом особенностей региона. Мы надеемся, что наша работа способствует пересмотру подходов на конкретных очистных сооружениях и их замене на более эффективные и безопасные для природы и людей», — подводит итог научный сотрудник центра метагеномики и инженерии микробных сообществ Шахжахон Бегматов.