Выбросы промышленных сточных вод содержат токсичные для окружающей среды соединения. Проблему загрязнения водных ресурсов решают специальные методы очистки стоков, наиболее экономичный и экологический из которых — утилизация вредных веществ с помощью микроорганизмов. Однако токсичные вещества промышленных стоков снижают активность живых систем.
Решение проблемы предложили российские ученые — они разработали специальную защиту для микроорганизмов. Дрожжевые грибки способны эффективно разлагать опасные для человека токсины, но при этом сами страдают от воздействия ионов тяжелых металлов и ультрафиолета. Чтобы биофильтры работали дольше, ученые создали для них оболочку из кремниевого гидрогеля.
Биокатализаторы и биофильтры для очистки токсичных стоков разработаны сотрудниками молодежной лаборатории и кафедры биотехнологии подведомственного Минобрнауки России Тульского государственного университета (ТулГУ) совместно с учеными-химиками Института органического синтеза имени И. Я. Постовского Уральского отделения РАН. Лаборатория экологической и медицинской биотехнологии была открыта в Научно-образовательном центре мирового уровня «ТулаТЕХ», созданном в рамках нацпроекта «Наука и университеты».
На возможное решение проблемы ученых Тульского государственного университета вдохновили водоросли. Диатомовые водоросли — одноклеточные организмы, которые в процессе эволюции природных систем научились выстраивать на своей поверхности минерализованные панцири на основе композитов диоксида кремния (кремнезема) и биоорганических молекул. Важнейшая функция таких систем — защита живых организмов и генетического материала своего вида от неблагоприятных факторов окружающей среды. Эти водоросли неплохо приспособлены к самым разным экологическим факторам.
Ученые научились упаковывать микроорганизмы в искусственные оболочки из кремнезема. Их исследования опубликованы еще в 2015 году в одном из международных журналов, посвященном изучению, проектированию, разработке и применению биосенсоров и биоэлектроники. Однако тогда ученые столкнулись с проблемой: живые клетки в панцире кремнезема были ограничены в своей жизнеспособности.
Поэтому специалисты из ТулГУ обратились за помощью к химикам Института органического синтеза имени И. Я. Постовского УрО РАН, которые синтезировали гибридные молекулы диоксида кремния и органического полимера — полиэтиленгликоляты кремния. Эти молекулы при взаимодействии с компонентами клеточных стенок микроорганизмов и водой способны формировать кремнеземсодержащие нанокомпозиты-гидрогели прежде всего на поверхности клеток.
«Образующиеся на поверхности метилотрофных дрожжей органосиликатные оболочки создают комфортную среду обитания для упакованных клеток, с одной стороны, и защищают живые микроорганизмы от стрессовых факторов окружающей среды (ионов тяжелых металлов, ультрафиолетового излучения), с другой стороны, что важно не только для развития технологий очистки промышленных сточных вод, но и для разработки новых биокатализаторов для биотехнологических производств. Предложенную технологию инкапсулирования живых клеток можно адаптировать для их криоконсервации и создания искусственных органов и тканей», — рассказывает руководитель научной группы, доктор химических наук, заведующая кафедры биотехнологии Ольга Понаморёва.
Биофильтры на основе разработанных биокатализаторов — микроорганизмов в органосиликатных защитных композитах — характеризуются эффективной утилизацией метанола в модельных сточных водах. Окислительная способность биофильтра составила 900 gO2/м3 (за 90 минут), степень очистки метанола — более 60 %.
Результаты исследования опубликованы в одном из ведущих научных журналов. Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» — одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».