Новые штаммы водорослей, богатые фосфором, могут улучшить очистку сточных вод

Фосфор в сточных водах — основной фактор, способствующий вредоносному цветению водорослей в водоемах по всему миру, что потенциально опасно для дикой природы, скота и даже людей. Чтобы предотвратить это, очистные сооружения часто используют энерго- и химически затратные методы для удаления фосфора до того, как он попадет в водоемы.

Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) стремились разработать новую технологию удаления фосфора из сточных вод, максимизируя способность водорослей использовать солнечную энергию для эффективного накопления и удаления фосфора из воды, запасая его внутри клетки в виде полифосфата.

Система Revolving Algal Biofilm (RAB) от Gross-Wen Technologies — это развивающаяся технология, которая делает именно это. В системе RAB водоросли, поглощающие фосфор, культивируются в сточных водах, прикрепляясь к вращающемуся полотну. Затем выращенную биомассу водорослей можно собрать, высушить и использовать в качестве сельскохозяйственного удобрения или сырья для производства биотоплива и биопродуктов. Этот процесс помогает замкнуть цикл фосфора, перерабатывая и повторно используя фосфор из сточных вод, снижая зависимость от ограниченных добываемых ресурсов фосфора.

Исследователи из NREL, Gross-Wen Technologies и Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago объединились в рамках гранта Фонда коммерциализации технологий (TCF) Министерства энергетики США (DOE) для дальнейшего развития системы RAB. Гранты TCF направлены на вывод новых энергетических технологий на рынок с использованием средств DOE, экспертизы и инфраструктуры национальных лабораторий.

Команда исследователей изучила уникальные свойства поглощения фосфора у штаммов водорослей, обитающих в системах RAB. В исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Microbiology, команда подробно описала, как определенные виды водорослей превосходят по эффективности более широкое сообщество водорослей в системе. Эти результаты могут помочь улучшить производительность RAB, одновременно увеличив доходы от продажи удобрений или сырья для биоэнергетики.

Почему оптимизация систем с водорослевыми биопленками повышает эффективность

Интересное свойство водорослей — их способность поглощать фосфор в количествах, превышающих их непосредственные пищевые потребности. Этот процесс называется «люксовым поглощением» и является одним из преимуществ использования водорослей для очистки сточных вод и рекуперации питательных веществ, особенно для систем RAB.

В системе RAB сообщество водорослей прикрепляется в виде биопленки к вертикальному вращающемуся полотну, частично погруженному в сточные воды. По мере роста водоросли поглощают фосфор и другие загрязнители из сточных вод под водой, а над водой поглощают углекислый газ и солнечный свет. Эта уникальная среда поддерживает множество водорослей, и команда NREL стремилась выделить и охарактеризовать эти организмы.

Среди 101 идентифицированного штамма водорослей семь обладали высоким уровнем полифосфата

Исследователи выделили почти 770 штаммов водорослей из образцов биопленки, собранных в восьми действующих системах RAB в Айове и Иллинойсе. «Многие из них были дубликатами одного и того же вида водорослей, и мы сократили это число до 101 уникального штамма с помощью микроскопии», — сказал Шейдиг. Эти 101 уникальный штамм были идентифицированы с помощью секвенирования ДНК, а содержание полифосфата в каждом определено с помощью современных методов скрининга.

Результаты были многообещающими. Семь выделенных штаммов водорослей содержали как минимум на 50% больше полифосфата по сухому весу клетки (CDW) по сравнению с исходным сообществом водорослей системы RAB, которое показало 5.1% полифосфата по CDW. Лучший штамм, гипернакапливающий фосфор, Craticula molestiformis TCF-8d, накопил 14.0% полифосфата по CDW.

Исследователи также обнаружили, что сообщества водорослей в системах RAB различались в зависимости от места отбора проб и времени, что позволяет предположить, что сообщества могут меняться из-за сезонных изменений освещенности, температуры или состава сточных вод.

Исследовательская группа провела дополнительные эксперименты, чтобы подтвердить, будут ли лучшие гипернакапливающие штаммы выживать и расти в реальных системах RAB. Один из штаммов, Chlamydomonas pulvinata, показал сильные результаты, процветая в системе и повышая скорость удаления фосфора модифицированной системы до 70%, что вдвое выше скорости удаления немодифицированного сообщества биопленки RAB.

Перспектива рекуперации ресурсов помимо фосфора

Это исследование показало, что водоросли, гипернакапливающие фосфор, потенциально могут помочь нам улавливать и повторно использовать фосфор, который мы выбрасываем в окружающую среду, до того, как он нанесет ущерб водным экосистемам. Это может не только помочь предотвратить вредоносное цветение водорослей, но и создать замкнутый цикл для фосфора, от которого мы зависим. Помимо рекуперации фосфора, результаты этого исследования могут иметь дополнительные преимущества для восстановления и повторного использования других ценных ресурсов, теряемых в сточных водах.

«Прелесть этого исследования водорослей, гипернакапливающих фосфор, заключается в его значении, выходящем за рамки простой рекуперации фосфора, — сказал Цзяньпин Юй, главный исследователь в NREL и старший автор исследования. — Известно, что полифосфат связывает и накапливает металлы в водорослях. Таким образом, штаммы, выделенные в этом исследовании, могут быть перспективными для других применений водорослей в очистке отходов, например, для удаления или извлечения вредных или ценных металлов из промышленных процессов и сточных вод».