Как работает процесс денитрификации?
Денитрификация — биологический процесс, при котором микроорганизмы превращают нитраты и нитриты в газообразный азот. Это происходит в естественных условиях в водоемах за счет метаболических процессов обитающих там организмов и называется самоочищением. Этот принцип также используется в очистке воды.
Для денитрификации нужно, чтобы микроорганизмы имели доступ к кислороду, который является окислителем для азота. Однако кислород может быть не только в свободном состоянии, но и связанным с другими элементами, например, углеродом или серой. Такие соединения называются электронодонорами, так как они отдают электроны кислороду при окислении. В зависимости от типа электронодонора денитрификация может быть аэробной (в присутствии свободного кислорода) или анаэробной (в отсутствии свободного кислорода).
Аэробная денитрификация более выгодна с экономической точки зрения, так как не требует дополнительных затрат на создание безкислородной среды. Кроме того, она может быть реализована в больших масштабах, например, на очистных сооружениях или промышленных предприятиях.
Какие микроорганизмы участвуют в денитрификации?
До сих пор было известно множество видов бактерий и грибов, которые способны денитрифицировать азотные соединения. Они были выделены и изучены в чистых культурах в лабораторных условиях. Однако такой подход имеет свои недостатки: он требует много времени и ресурсов, а также не учитывает сложность естественных сообществ микроорганизмов, которые могут взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой.
Поэтому исследователи стали искать альтернативные способы поиска денитрифицирующих микроорганизмов. Одним из таких способов является использование микробных консорциумов — смесей разных видов бактерий и грибов, которые живут вместе и образуют синергетические отношения. Такие консорциумы могут быть выделены из естественных источников, например, из почвы, воды или растений.
Преимуществом микробных консорциумов является то, что они более устойчивы к стрессовым факторам окружающей среды, таким как кислотность, температура или загрязнение. Кроме того, они могут иметь более высокую эффективность денитрификации, чем отдельные штаммы микроорганизмов. Это связано с тем, что в консорциумах происходит обмен генами и метаболитами между разными видами, что позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям и оптимизировать свою деятельность.
Исследовательская группа из Министерства природных ресурсов Китая в Сямэне и Института береговой экологии Германии (IGB) сделала прорыв в области аэробной денитрификации. Они обнаружили естественный консорциум бактерий и грибов из марикультуры, который очень эффективно и последовательно удаляет нитраты из воды. В присутствии кислорода удаление нитратов достигает 100%, а эффективность денитрификации составляет 44%. Это означает, что микроорганизмы способны превратить почти половину азота, связанного в нитратах, в молекулярный азот (N2) и оксиды азота (NOx), которые не являются загрязняющими веществами.
Для идентификации видов бактерий и грибов, участвующих в этом процессе, ученые использовали метод высокопроизводительного секвенирования ДНК. Он позволяет определить состав и структуру микробных сообществ на основе анализа генетического материала. После этого они провели сетевой анализ, который показал, какие виды положительно влияют друг на друга и поэтому лучше всего подходят для использования в комбинации.
Нам удалось идентифицировать денитрифицирующие бактериально-грибковые группы, которые могут более эффективно удалять нитраты. Это важный шаг в объединении микробных консорциумов для оптимальной очистки воды. Поиск подходящих микробных сообществ бактерий и грибов является еще очень молодой областью исследований, и практических приложений пока нет. Однако, уверен, что микробные консорциумы будут в значительной степени определять биотехнологию очистки сточных вод в будущем
— профессор Ханс-Петер Гроссарт, соавтор исследования и сотрудник Института береговой экологии Германии.
Какие перспективы у открытия?
Использование микробных консорциумов для денитрификации имеет несколько преимуществ перед традиционными методами очистки воды. Оно позволяет снизить потребление энергии и химических реагентов, так как микроорганизмы используют естественные ресурсы для своего метаболизма. Разработка ученых способствует сохранению биоразнообразия и экологического баланса в водных экосистемах, так как микроорганизмы не выделяют токсичных веществ и не нарушают естественные циклы веществ. И, наконец, результаты исследования можно адаптировать к различным условиям и потребностям, так как микроорганизмы могут быть подобраны из разных источников и скомбинированы в разных пропорциях.
Для реализации этого подхода на практике необходимо решить ряд технических и научных проблем. Например, как изолировать и культивировать микробные консорциумы в промышленных масштабах и как контролировать и оптимизировать их деятельность в разных средах? Также важно учитывать возможные риски, связанные с генетическими изменениями или патогенностью микроорганизмов?
Эти и другие вопросы требуют дальнейших исследований и экспериментов. Однако уже сейчас можно сказать, что открытие китайских и немецких ученых является важным шагом на пути к созданию нового поколения биотехнологий для очистки воды. Это открытие также подтверждает важную роль грибов в водных экосистемах, которая до сих пор была недооценена.
