Подземные воды — один из главных источников питьевой воды для человека. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН испытали в лабораторных условиях несколько стратегий очистки холодных подземных вод одновременно от нитратов и аммония с помощью микроорганизмов. Также они предложили варианты самодостаточных микробных сообществ, которые могли бы не только выполнять эту задачу, но и долго существовать самостоятельно. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) 21-64-00019-П, опубликованы на страницах научного журнала Science of the Total Environment.
Вода с высоким содержанием нитратов и аммония опасна для здоровья: в организме человека нитраты преобразуются в нитриты, которые нарушают работу гемоглобина, отвечающего за транспорт кислорода в крови, а аммоний вызывает нарушение кислотно-щелочного баланса, репродуктивной и нервной системы. Кроме того, употребление такой воды повышает риск онкологических заболеваний. Поэтому очистка подземных вод от азота важна не только с экологической, но и с медицинской точки зрения. Один из вариантов решения этой проблемы — биоремедиация, которая позволяет переработать токсичные загрязнители или снизить их концентрацию при помощи микроорганизмов. Исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из других российских институтов и вузов сравнили несколько стратегий и выбрали лучшие для очистки холодных подземных вод от нитратов и аммония.
«Мы проверили эффективность разных методов биоремедиации для очистки сильно загрязненных подземных вод с температурой 10 ◦C. Для этого мы использовали несколько микробных сообществ, которые принимают участие в восстановлении нитратов, а также в аэробном и анаэробном окислении аммония», — рассказал соавтор научной статьи Юрий Литти, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.
Биологи сравнили, как микроорганизмы, участвующие в круговороте азота в природе, в разных сочетаниях справляются с очисткой холодной воды. В центре внимания оказались три ключевых процесса: нитрификация, или биологическое окисление аммиака до нитритов и нитратов, денитрификация, или восстановление нитратов до нитритов, а затем до молекулярных оксидов и газообразного азота, а также анаммокс — анаэробное (то есть, без использования кислорода) окисление аммония. Кроме того, исследователи учитывали, какие экологические ниши они занимают, что требуется для их жизнедеятельности, а также представленность каких генов влияет на эффективность биоремедиации.
Испытания в биореакторах, имитирующих подземные условия, помогли выбрать лучшие подходы для очистки холодной воды в разных условиях. В случае, когда концентрация загрязняющих веществ была максимальной (7,1 грамм на литр для нитратов, 0,3 грамма на литр для аммония), самой успешной схемой оказалась частичная денитрификация, совмещенная с анаммокс. Для более низкой степени загрязнения (1 грамм на литр для нитратов, 0,17 грамма на литр — для аммония) лучше подошла схема, где за нитрификацией следовала денитрификация.
За нитрификацию отвечали микроорганизмы родов Nitrospira и Nitrosomonas, а за процессы денитрификации и анаммокс — Tolumonas, Acidovorax, Pseudomonas, Nocardioides и Candidatus Kuenenia. Эти микроорганизмы участвуют в круговороте азота и в природе, но биотехнологи смогли ускорить работу нативного подземного сообщества при помощи её обогащения (биоаугментации) выращенным сообществом с доминированием рода Candidatus Kuenenia. При первом внесении загрязненной воды для её полной очистки от соединений азота потребовалось 80-87 дней, а при повторном внесении это время удалось сократить уже до 51-52 дней.
«Мы подобрали таких участников сообщества микроорганизмов, которые не просто перерабатывали загрязняющие вещества, но и сформировали стабильную биопленку с равномерным распределением клеток. При помощи конфокальной лазерной сканирующей микроскопии мы убедились, что наше сообщество находится в устойчивом равновесии и может долго выполнять свои функции», — рассказал соавтор исследования Юрий Литти.