Ученые определили, что сульфиды подавляют, но не блокируют окисление аммония бактериями, используемыми для очистки сточных вод. Эксперимент показал, что сульфиды негативно сказываются на жизнедеятельности нитрифицирующих микроорганизмов, но практически не влияют на анаммокс-бактерий. В результате, поскольку и первые, и вторые вовлечены в общий процесс окисления аммония, его эффективность при высоких концентрациях сульфидов снижается только на 17%. Эти данные говорят о возможности использовать бактериальную очистку и для сточных вод, загрязненных сульфидами. Результаты исследования опубликованы в журнале Water.
Один из этапов очистки сточных вод от азотсодержащих органических соединений, например аминокислот и нуклеиновых кислот, — это анаэробное, то есть происходящее при отсутствии кислорода, окисление аммония. В ходе этого процесса бактерии превращают аммоний в молекулярный азот и воду. Считается, что попадание в сточные воды большого количества сульфидов может препятствовать анаэробному окислению аммония. Сульфиды же появляются в воде в результате естественных процессов, например, бактериального разложения органики, а также из-за работы нефтехимических, агропромышленных и металлургических производств.
Однако, подробно влияние сульфидов на эффективность бактериальной очистки сточных вод не исследовано. Поэтому ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН сравнили эффективность анаэробного окисления аммония сообществами бактерий, выращиваемыми в присутствии и в отсутствии сульфидов.
Исследователи поместили в два одинаковых биореактора объемом 4,5 литра культуры микроорганизмов, используемых для очистки сточных вод и осуществляющих окисление аммония. Бактерии выращивались в виде биопленок — ассоциаций бактерий, прикрепленных к синтетической подложке. В оба реактора периодически подавали свежую питательную среду, которую перемешивали и обогащали кислородом. Отличие между опытными установками было лишь в том, что в одну из них подавали растворы сульфидов, постепенно увеличивая их концентрацию от 5 до 100 миллиграммов на литр питательной среды.
В течение 100 дней эксперимента ученые регулярно отбирали пробы воды для химического анализа, а также образцы микробного сообщества для определения видового состава микроорганизмов и активности их генов, участвующих в окислении аммония.
Генетический анализ позволил авторам определить, что в начале эксперимента микробное сообщество включало 22 вида бактерий преимущественно из групп Chloroflexi, Proteobacteria, Bacteroidota и Planctomycetota. В ходе работы реакторов состав микробных сообществ несколько изменился. Так, например, в установке, в которую подавались сульфиды, к концу эксперимента количество бактерий семейства Hydrogenophilaceae увеличилось практически с нуля до 3,4%. Это объясняется тем, что эти микроорганизмы способны использовать соединения серы в качестве одного из источников энергии, а значит, вполне успешно расти в присутствии сульфидов.
Эксперимент показал, что низкие концентрации сульфида — до 50 миллиграммов на литр не влияют на окисление аммония, тогда как при 100 миллиграммах на литр процесс замедляется на 17%. Интересно, что наиболее чувствительной к сульфидам группой оказались бактерии-нитрификаторы из рода Nitrosomonas, отвечающие за превращение аммония в азотистую кислоту. При этом анаммокс-бактерии, окисляющие аммоний непосредственно до азота, негативного воздействия сульфидов практически не испытывали.
«Наше исследование позволило определить, что от сульфидов в первую очередь страдают бактерии-нитрификаторы, тогда как другие участники микробных сообществ, используемых для очистки сточных вод, например анаммокс-бактерии, оказываются более устойчивыми. Это доказывает, что окисление аммиака не будет полностью прекращаться и в воде, загрязненной сульфидами, поэтому данный метод очистки можно использовать и в этом случае», — рассказывает Юрий Николаев, доктор биологических наук, заведующий лабораторией выживаемости микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН.