Влияние таксономического и функционального разнообразия микробных сообществ на эффективность очистки твердых, жидких и газообразных сред в очистных сооружениях различных типов

Статус: Текущий


Номер гранта:

18-29-25027

Область научного знания:

825.4. Создание новых эффективных микробиологических процессов удаления летучих органических соединений и дезодорации воздушных выбросов, очистки сточных вод, утилизации осадков и избыточного активного ила и методов контроля этих процессов

Тип конкурса:

Междисциплинарные фундаментальные исследования по теме «Междисциплинарные подходы к эффективной утилизации твердых органических отходов, сточных вод и рекультивации свалок» (код темы 26-825)

Год выполнения:

2018-2021

Руководитель:

Щеголькова Н.М.

Статус заявки:

поддержана

 

Аннотация к заявке

Большинство технологических решений, используемых для очистки окружающей среды от органических ксенобиотиков, основаны на микробиологических процессах. В настоящее время в мире существуют два наиболее распространенных типа систем биологической очистки сточных вод: системы с активным илом и фито-очистные сооружения (ФОС). Последние имеют преимущества в разложении органических токсикантов и обеззараживании стоков, а также эффективно удаляют газы, выделяющиеся в процессе очистки, и используются для обезвреживания токсикантов в осадке сточных вод. Тем не менее, несмотря на свою эффективность, ФОС по-прежнему практически не используются в РФ.

Применение современных микробиологических методов показало, что в разложении органических токсикантов участвуют не одиночные виды микроорганизмов, а большая часть микробного сообщества (МС), характеризующаяся наличием сложных эколого-трофических связей между отдельными таксонами. При исследовании МС современными методами высокопроизводительного секвенирования преобладающая часть работ посвящена анализу филогенетического разнообразия микроорганизмов. Однако, появившиеся новые аналитические подходы позволяют прогнозировать функциональное разнообразие сообществ и, как следствие, разработать методологию создания более эффективных сообществ.

В ходе выполнения проекта с помощью химических анализов, высокопроизводительного секвенирования и современного биоинформатического анализа будут исследоваться прокариотные и грибные сообщества двух названных типов очистных сооружений. Основные задачи проекта: 1) выявление динамики структуры активных илов под воздействием разных органических токсикантов (на основе лабораторных экспериментов) и 2) анализ сукцессии микробного сообщества в ФОС (на основе анализа ряда ФОС, построенных во Франции, имеющих разный срок эксплуатации). В последнем случае будет уделено особое внимание исследованию ризосферных процессов с использованием уже имеющихся в почвоведении методологических подходов, что позволит расширить знания о ризосферных процессах во всех средах (почвы, гидропоника, аэропоника). Будут разработаны интегральные характеристики микробного сообщества для прогнозирования его способности к разложению органических ксенобиотиков, определена локализация и структуры наиболее эффективных МС и разработана методология мониторинга новых для нашей страны фито-очистных сооружений. Все планируемые исследования проводятся впервые, аналогов подобных исследований в литературе не найдено.

 

Аннотация к отчету за первый год реализации проекта:

Существует два основных типа систем биологической очистки сточных вод: с активным илом (АИ) и фитоочистные сооружения (ФОС) – рис. 1 а и б, соответственно.

рис1а.jpg

а


рис1б.jpg

б

Рис. 1. Два основных типа очистных сооружений биологической очистки: с активным илом (а) и фитоочистное сооружение (б)

Системы с АИ обычно используются, когда необходимо очистить большой объем сточных вод, например в г. Москва есть два крупных очистных сооружения, использующих активный ил. Фитоочистное сооружение это, по сути, искусственно сконструированное болото, в котором очистка воды максимально приближена к тому, как происходит самоочищение воды в природе. Сооружения этого типа могут функционировать без серьезного ремонта до 40 лет! Обычно они используются для малых поселений. Важной особенность ФОС является наличие высших растений, вокруг корней которых разложение загрязняющих веществ происходит наиболее активно. Именно вблизи корней сконцентрированы микроорганизмы, способные использовать вредные для человека и окружающей среды вещества как источник энергии для жизнедеятельности. Чем более разнообразны эти микробные сообщества, тем эффективнее идет очищение воды. Известно, что в ФОС обитает значительно больше различных видов микроорганизмов, чем в активном иле. Именно поэтому ФОС могут удалять такие опасные органические загрязняющие вещества как пестициды, лекарства, нефтепродукты, моющие средства и другие, произведенные человеком, не встречающие в природе соединения. Не смотря на это, на сегодняшний день информации о том, как формируются микробные сообщества в подобных очистных сооружениях, по каким законам они изменяются в зависимости от состава сточных вод, климата и, самое главное, информации о том, как обеспечить наибольшую эффективность их работы, до сих пор очень мало.

Наша работа заключается в сравнении между собой микробных сообществ разных очистных сооружений, чтобы выявить наиболее эффективно работающие группы микроорганизмов и на их основе определить признаки, по которым можно предсказать способность очистного сооружения к удалению тех или иных загрязняющих веществ. На основе полученных результатов мы разработаем рекомендации по модификации фитоочистных систем для повышения эффективности очистки стоков. 

Мы использовали как современные молекулярно-биологические подходы, так и традиционные методы микробиологии для описания бактерий и грибов фитоочистных сооружений в трех климатических зонах (Россия, Франция, Таиланд) и трех разновидностей ФОС (с открытым водным потоком, подповерхностным горизонтальным потоком и подповерхностным вертикальным потоком)

Анализ, полученных за первый год работы результатов, позволил выделить три главных фактора, влияющих на разнообразие бактерий и грибов: 1) набор микроорганизмов, постоянно приходящий на очистное сооружение со сточной водой; 2) виды высших растений, на чьих корнях живут микроорганизмы (рис. 2, рис. 3); 3) накопление отмирающих остатков высших растений за годы работы сооружения.

рис2.jpg

Рис. 2. Фотография фитоочистного сооружения. Видно, как плотно посажены растения, Typha sp. Их корни образуют подземную сеть, фильтрующую воду и создающую среду для развития микроорганизмов


рис3.jpg

Рис. 3. Фитоочистное сооружение с другим типом растений – Сanna sp. Набор микроорганизмов здесь значительно отличается, несмотря на аналогичность технологической схемы, климата и состава сточных вод.

Дата публикации: 27.04.2020



Все проекты