Исследователи Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН (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), сообщил пресс-центр ФИЦ.
Статья с результатами их работы опубликована в журнале Water.
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.
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» — отмечает 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.
Фото: ФИЦ «Биотехнологии» РАН
