Ученые помогли обитателям биореактора для очистки сточных вод справиться со стрессом

Биореакторы, в которых в промышленных масштабах культивируют полезные микроорганизмы, находят применение в самых разных областях. Такие «прирученные» микробы нарабатывают кормовые белки, биогаз, ферменты и прочие важные продукты. Трудятся они и на благо экологии, например, очищают сточные воды от вредного аммония NH₄⁺. Этим занимаются анаэробные анаммокс-бактерии, которые и в природной среде превращают аммоний в безопасный азот при отсутствии кислорода и в присутствии нитритов NO₂^-. Такие анаммокс-бактерии работают не в одиночку, а в составе сложного микробного сообщества, очень чувствительного к условиям внешней среды — кислотности, температуре, содержанию различных ионов. Если не учесть множество факторов, влияющих на жизнь такого микробного сообщества, биореакторы на его основе могут просто перестать работать. 

«Можно поддерживать активность бактерий, добавляя в среду определенные вещества, так называемые метаболические регуляторы. Микроорганизмы будут использовать их в своих окислительно-восстановительных реакциях, альтернативных тем, что оказались затронуты неблагоприятными факторами. В новой работе мы проверили, как работают добавки соли муравьиной кислоты (формиата) и фолиевой кислоты на сообщество анаммокс-бактерий в лабораторном биореакторе при избытке аммония, имитирующем аварийный сброс сильно загрязненных сточных вод», — рассказал заведующий лабораторией реликтовых микробных сообществ ФИЦ Биотехнологии РАН, д.б.н. Николай Пименов.

В своих экспериментах исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН использовали три биореактора, где удвоили обычную для бактерий концентрацию аммония, а затем добавили в один реактор формиат, в другой фолиевую кислоту, а третий оставили как контроль. Спустя полтора месяца работу биореакторов приостановили, отобрали пробы анаммокс-сообщества, проанализировали химический состав среды в биореакторе, количество выделяемого азота, а также с использованием высокопроизводительного секвенирования гена 16s рРНК определили, какие виды организмов, в каких соотношениях и каким образом заполняли биореактор. Подобные эксперименты проводили несколько раз, чтобы подтвердить достоверность наблюдаемых эффектов.

Результаты продемонстрировали, что добавки формиата и фолиевой кислоты, действительно позволили повысить активность анаэробных анаммокс-бактерий в стрессовых условиях, при этом они по-разному влияли на два рода этих микроорганизмов, которые были выявлены в составе анаммокс-сообщества. Представители рода «Jettenia» начинали преобладать в неподвижных биопленках на стенке реактора при введении в среду формиата. Объединенные в такую форму бактерии оказываются более устойчивы ко внешним неблагоприятным факторам. Представители рода «Brocadia» лучше реагировали на добавку фолиевой кислоты и оказались в целом более конкурентоспособными в сравнении с другими микроорганизмами анаммокс-сообщества. Они занимали центральный объем реактора и активно увеличивали свою биомассу.

«Таким образом, два вида анаэробных анаммокс-бактерий в стрессовых условиях в присутствии метаболических регуляторов занимали каждый свою нишу. Добавками формиата и фолиевой кислоты мы смогли сдвигать их соотношение в ту или иную сторону, что может быть полезно в реальных условиях очистных сооружений в зависимости от конкретной задачи, химии сточных вод и состава микробного сообщества. Подбор видов и регуляция их активности в таком уникальном анаммокс-сообществе бактерий — настоящее искусство, и баланс нарушить очень легко», — подвел итог Николай Пименов.