Как бактерии очищают воду

Какой ресурс на нашей планете наиболее важен для человечества? Это, конечно же, чистая питьевая вода. Без воды человек и большинство живых организмов погибают за короткое время. А загрязнённая вода может погубить человека не менее точно так же, как полное отсутствие воды. В связи с этим весьма остро стоит проблема очистки воды. Это задача планетарного масштаба, и с ней приходится сталкиваться жителям самых разных стран и населённых пунктов – больших и маленьких, промышленных и «не очень». Грязная и не пригодная для питья вода сегодня стала нашей обыденной реальностью, и это нередко касается даже сельских регионов.

Сточные воды больших промышленных городов в наше время очищаются только с помощью микроорганизмов. Почему так? Ведь существуют и другие методы очистки воды. На основе таких методов создаются домашние фильтры, которые предназначены для задержания в основном только крупных частиц. Такие системы можно было бы применять и в масштабах целого города и приспособить их для задержания мелких частиц; но в этом случае стоимость таких систем была бы очень высокой. Поэтому микроорганизмы на сегодняшний день являются самым лучшим, дешёвым и эффективным способом избавить крупные массы воды от загрязнения.

Как же бактерии очищают воду? Они, честно говоря, сами не представляют, что они её именно очищают: вещества, содержащиеся в сточных водах просто являются для них пищей. Микроорганизмы могут освоить и поглотить практически все соединения, находящиеся в городской сточной воде, кроме нескольких так называемых ксенобиотиков. Даже если это какие-то новые вещества, то бактерии достаточно быстро к ним привыкают. Мы знаем, что микроорганизмы способны привыкать даже к антибиотикам, вследствие чего приходится каждый раз разрабатывать новые их виды. В итоге получается, что все довольны: микроорганизмы получают изобилие пищи и среду для развития, а человек получает чистую, пригодную для употребления воду.

Появление очистных сооружений

Необходимость очищать городскую воду люди осознали достаточно давно. Так, в России первые очистные сооружения появились в 1898 году. Установлены они были в Москве и пропускали через себя воду, поступавшую из 220 домов. В то время какие-то специальные микроорганизмы не было нужды подбирать: микробные сообщества образовывались естественным путём.

Деятельность микробов

Нередко даже сегодня не требуется особое вмешательство человека в процесс бактериальной очистки воды. При этом иногда можно немного помочь «нашим маленьким друзьям», например – добавить в воду какое-нибудь органическое вещество, пригодное для употребления микроорганизмами. Так поступают, к примеру, при очистке воды от нитратов.

Даже если состав сточных вод изменяется, человеческая деятельность зачастую не нужна: на место старых микробов приходят новые виды, специализирующиеся на новых веществах.

Обычно достаточно построить по соответствующим правилам очистное сооружение, создать в нём необходимые условия и немного подождать. На ожидание, конечно, может уйти несколько недель, но потом, когда микробное сообщество сформируется, очистное сооружение может работать вечно – по крайней мере пока есть сточные воды.

Обычно главным узлом очистного сооружения служит аэротенк. Это специальная ванна, в которую попадают сточные воды после предварительной очистки от крупных частиц. В этой ванне живут аэробные микроорганизмы, то есть такие, которые дышат атмосферным кислородом. Основная задача специалистов здесь – правильно рассчитать режим поступления кислорода. Если всё сделано успешно, то в аэротенке образуется активный ил, то есть сообщество микроорганизмов, способных поглощать загрязняющие вещества.

В столичных очистных сооружениях вода не нагревается, поэтому её температура на протяжении всего года достаточно постоянна – от 15 до 25 градусов. В такой воде могут развиться патогенные элементы, поэтому её дополнительно обеззараживают – например, хлорируют или озонируют. Любопытно, что правильно очищенная сточная вода во многих отношениях чище водоёма, в который её сливают.

Виды загрязнений воды

Есть великое множество видов загрязнений воды, происходящих по вине человека. Особую важность имеют соединения азота и фосфора. Азот входит в состав мочевины и аммония, которые потребляются соответствующими микроорганизмами и превращаются в нитраты. Фосфаты – непременный компонент стиральных порошков, которые вместе с использованной водой сливаются ежедневно в огромных количествах. Когда все эти вещества попадают в водоёмы, то появляется огромное количество планктона, который ими питается. Планктон вызывает так называемое цветение воды, из-за которого водоём гибнет. В частности, в цветущей воде нарушается газообмен, из-за чего гибнут рыбы и другие водные организмы.

Исходя из этого, во многих странах мира водоёмы вблизи больших городов стараются очищать в первую очередь от фосфора и азота.

Избавиться от нитратов можно с помощью анаэробных микроорганизмов (не потребляющих кислород). Для них нитраты служат ценным акцептором электронов, это полноценный аналог кислорода. Процессы восстановления нитратов приводят к образованию азота, который в газообразном виде испаряется в атмосферу; он абсолютно безвреден и является одной из главных составляющих нашей атмосферы. Данный процесс весьма популярен в силу своей дешевизны, однако в нём должны участвовать микробиологи, которые помогают заменить аэробный режим в среде на анаэробный. Это довольно сложный процесс, который протекает в несколько этапов.

Переработка фосфатов – несколько более сложный процесс, который ещё не до конца изучен. Специалисты ещё не смогли выделить чистую культуру микробов, способных усваивать фосфаты. Как это происходит в наше время? В аэробных условиях (при активном насыщении воды кислородом) особые микроорганизмы накапливают фосфаты, а после этого поступают в анаэробный реактор. В этот момент насыщение воды кислородом прекращается, после чего в анаэробных условиях микроорганизмы начинают использовать накопленные фосфаты в своём обмене веществ. Разросшаяся биомасса этих микроорганизмов время от времени удаляется, благодаря чему водоём избавляется от накопленных ими фосфатов. Выращивать такие бактерии достаточно сложно, при том что условия культивирования в процессе очистки воды резко меняются. Из-за этого детально изучить процесс поглощения этих веществ и выделить чистую культуру микроорганизмов пока не получается. В то же время чистая культура микробов весьма помогла бы в исследованиях, основанных на достижениях молекулярной биологии и генетики. Изучение метаболизма данных бактерий позволит детально разобраться с процессом усвоения фосфатов, а значит – улучшить имеющиеся методы очистки воды и разработать принципиально новые.

Новые способы очистки воды

Люди постоянно мечтают о неких чудесных средствах, которые позволили бы с помощью одного простого действия решить сразу много задач. Например – с помощью одной таблетки лечить все болезни сразу. Так и здесь: появляются предложения с помощью генной инженерии создать некий суперорганизм, который очищал бы воду от всех загрязнений сразу. Однако геном такого организма, скорее всего, будет огромных размеров – значительно больше человеческого. Ведь в воде содержатся сотни и тысячи видов загрязнений, на которых специализируются сотни и тысячи видов микроорганизмов; объединить свойства всех их воедино – задача практически неразрешимая.

Поэтому вместо этого разумно создавать подходящие условия для конкретных видов организмов. Здесь задействовано множество физических и химических процессов, но соответствующие технологии имеются. Так, на многих крупных очистных сооружениях имеются метантенки – резервуары, в которых использованные избытки активного ила подвергаются брожению, в результате чего образуется метан – газ, который можно использовать для обогрева. Оставшееся жидкое вещество содержит много аммония, который удаляется отдельными методами. В данном случае эффективной оказалась технология под названием «анаммокс» — анаэробное окисление аммония с образованием азота. Такая технология активно применяется на западе, но в Россию только начинает проникать.

Какими бы простыми в своей основе ни были аэротенки, сбои в их работе вполне могут произойти. Так, может измениться температура воды, её рН, образоваться токсины и т. д. Состояние воды поэтому должно контролироваться на входе и выходе. Например, в «очищенной» воде может обнаружиться повышенное содержание фосфора. Это означает, что очистка воды происходит не лучшим образом. Исходя из этих соображений, необходимо производить комплексные исследования, имеющие фундаментальные и прикладные стадии, используя инкубаторы БПК. Изучив строение и жизнедеятельность бактерии, можно понять, что делать в той или иной чрезвычайной ситуации. Зачастую «ремонт» очистного сооружения сводится к очень простым действиям – добавлению кислорода, снижению количества активного ила, изменению направления потока воды и т. д.

Рациональное потребление и сортировка отходов

Россия – огромная и, казалось бы, необъятная страна. А раз так, большие свалки нам не страшны и вода в наших водоёмах всегда будет чистая. Так думали наши сограждане ещё лет двадцать назад. «Необъятность» российских просторов была переоценена, и это привело к печальным последствиям: оказалось, что рекам и озёрам России остро необходимы очистные сооружения.

Кроме того, стало понятно, что бытовые отходы можно и нужно перерабатывать. И здесь микроорганизмы могут оказать существенную помощь. Они способны прежде всего усваивать органические фракции в пищевых отходах. Но этого мало: они способны потреблять даже тяжёлые металлы. Бактерии вообще способны усваивать практически любые вещества и жить при почти что любых условиях. Некоторые виды микроорганизмов способны даже выдерживать громадные дозы радиации и нормально жить в непосредственной близости от ядерных реакторов (такова бактерия Deinococcus radiodurans, выдерживающая количества радиации в тысячи раз большие, чем смертельная доза для человека). Бактерии могут научиться усваивать и перерабатывать и пластик, и полиэтилен, и другие сложные вещества, представляющие опасность для экологии. Микроорганизмы можно погубить разве что антибиотиками и ультрафиолетовым излучением; причём первые, как уже указывалось, имеют лишь временную эффективность – с течением времени новые поколения «жертв» успешно адаптируются к ним.

В общем, то, что представляет опасность для человека и животных, для бактерий абсолютно безвредно, а зачастую и необходимо для жизни. Множество микроорганизмов не нуждаются в кислороде, вместо него они используют другие вещества. Природа предоставляет нам шанс, и его необходимо использовать.

Способные усваивать упомянутые выше материалы микроорганизмы ищутся и изучаются в лабораториях многих стран мира, в том числе и в России. Итогом всех этих исследований должно стать существенное улучшение экологической обстановки на нашей планете; она должна стать чище. Это не просто проблема отдельных отраслей науки: в какой-то степени это идея, объединяющая всё человечество.