Очистка сточных вод может быть непривлекательной работой, но бактерии с удовольствием ею занимаются. Очистные сооружения используют бактерии для удаления экологических токсинов из отходов, чтобы переработанная вода могла безопасно сбрасываться в океаны и реки.
Теперь бактерия, обнаруженная исследователями Принстона в болоте Нью-Джерси, может предложить более эффективный метод обработки токсинов, обнаруженных в сточных водах, стоках удобрений и других формах загрязнения воды.
Бактерия Acidimicrobiaceae A6 способна расщеплять аммоний, загрязнитель, содержащийся в сточных водах и стоках удобрений. Еще более интригующим является то, что A6 может выполнять это химическое преобразование в отсутствие кислорода, способность, которая может быть полезна для создания альтернативных дорогостоящим методам, зависящим от кислорода, которые в настоящее время используются в очистке сточных вод и других процессах.
«Большое количество энергии используется машинами, которые смешивают воздух со сточными водами, чтобы обеспечить кислород для разрушения аммония», - сказал Питер Джаффе, профессор гражданского строительства Уильяма Л. Кнаппа 47 года в Принстоне и профессор в Принстонский центр энергетики и окружающей среды Андлингера. «A6 осуществляет ту же самую реакцию анаэробно и может представлять собой более эффективный метод обработки аммония и способ обработки других загрязнителей окружающей среды, обнаруженных в районах с низким содержанием кислорода, таких как подземные водоносные горизонты»..
Джаффе и его коллега Шан Хуан, младший научный сотрудник в области гражданского и экологического строительства в Принстоне, сообщили об открытии A6 и его уникальных возможностях 11 апреля в журнале PLOS ONE.
Большинство канализационных установок, которые сбрасывают воду в океаны или реки, уже используют бактерии для удаления аммиака из отходов, но для этого требуется вспенивание большого количества воздуха в ил, чтобы накормить бактерии кислородом. Бактерии используют кислород в химической реакции, которая превращает аммоний в нитрит, а затем другие бактерии превращают нитрит в безвредный газообразный азот.
Удаление аммония важно для предотвращения истощения кислорода в ручьях и для предотвращения эвтрофикации, чрезмерного роста водорослей и других растений, вызываемых соединениями азота из сточных и сельскохозяйственных стоков.
Альтернативный химический процесс разрушения аммония, известный как Feammox, происходит в кислых, богатых железом, заболоченных средах и почвах, и было обнаружено, что он происходит в прибрежных заболоченных почвах в Нью-Джерси, в почвах тропических лесов. в Пуэрто-Райсе, на заболоченных почвах в Южной Каролине, а также в различных лесных и заболоченных местах Южного Китая. Однако было неясно, что вызвало реакцию Feammox.
Джаффе и Хуан догадались, что в основе процесса может лежать одна-единственная бактерия в 2015 году, когда изучали образцы, взятые из водно-болотных угодий Ассанпинк недалеко от Трентона, штат Нью-Джерси. В ходе исследования, проведенного в то время, Джаффе и его коллеги обнаружили, что реакция Feammox имела место только в образцах болот, когда присутствовал класс бактерий, известных как актинобактерии. Среди этих бактерий исследователи идентифицировали определенный вид бактерии, которую они назвали бактерией Acidimicrobiaceae A6 и которая, как они подозревали, играла ключевую роль в реакции Feammox. У них было подозрение, что A6 превращает аммоний в нитрит, а обычные бактерии занимаются преобразованием нитрита в газообразный азот.
Однако выделение бактерии и окончательное подтверждение ее роли заняли годы кропотливых исследований. В своем новом исследовании команда из Принстона смешала образцы почвы, собранные на заболоченных территориях Нью-Джерси, с водой и материалом, содержащим оксид железа и аммоний, и позволила смеси инкубироваться во флаконах почти год.
Смешивание образцов почвы и металлической среды во флаконах производилось в бескислородной камере, и флаконы были герметично закрыты, чтобы имитировать анаэробные условия водно-болотной почвы, из которой произошли бактерии.
Примерно каждые две недели в течение года ученые брали по небольшому образцу из каждой пробирки, чтобы увидеть, разлагаются ли оксид железа и аммоний. Когда они обнаружили образец, в котором происходила эта реакция, они использовали генетическое секвенирование, чтобы идентифицировать присутствующие виды бактерий, и окончательно обнаружили, что A6 осуществляет реакцию Feammox..
«С тех пор, как мы обнаружили, что реакция происходила в заболоченных местах здесь, в Нью-Джерси, мы подозревали, что тяжелую работу выполняет бактерия», - говорит Джаффе. «Это исследование подтвердило, что A6 обладает этой способностью, что делает его первым известным видом, способным осуществлять реакцию Feammox».
Команда из Принстона изучает, как построить реактор, в котором А6 можно было бы использовать для переработки аммония в промышленных масштабах. Одна из проблем заключается в том, что бактерии потребляют много железа для осуществления процесса, что делает его слишком дорогостоящим методом замены аэрации. Чтобы обойти эту проблему, исследователи экспериментируют с приложением небольшого электрического потенциала между двумя электродами, вставленными в жидкость реактора в устройстве, которое они назвали «микробной электролизной ячейкой». Затем электроды могут взять на себя роль железа в реакции Feammox.
Команда из Принстона работает с министерством охраны окружающей среды Китая над созданием прототипа реактора для снижения содержания аммония и тяжелых металлов в сточных водах. Они изучают, может ли эта технология помочь в борьбе с эвтрофикацией, когда избыток питательных веществ в стоках наносит ущерб рекам, озерам и береговым линиям.
Исследователи также обнаружили, что при окислении аммония бактерия A6 также способна одновременно удалять трихлорэтилен и тетрахлорэтилен, два трудно поддающихся обработке загрязняющих вещества, которые часто встречаются в загрязненных местах. Бактерия также должна была передавать электроны другим соединениям, кроме железа, таким как уран и медь. В случае урана - перевод его в нерастворимую в воде форму.
«Поскольку A6 не требует кислорода, он может выжить в местах, недоступных другим бактериям, например, в загрязненных грунтовых водах», - говорит Джаффе. «Объедините это с его универсальностью в устранении различных загрязнителей, и он может стать очень важным инструментом для решения ряда экологических проблем».
Поддержку проекту частично оказали Национальный научный фонд и Принстонский фонд Project X, фонд поддержки нетрадиционных исследований.