БИОКОНВЕЙЕР: ТЕХНОЛОГИЯ XXI ВЕКА

Вода, как среда обитания, подобна вечному двигателю, источником движения которого является ее круговорот в природе. Микробиологи любят подчеркивать, что в этом вечном самоочищении воды обитатели ее (гидробионты) принимают участие с четвертого дня сотворения мира, то есть с момента их появления в воде. Великая мудрость природы проявляется здесь в том, что загрязнители воды (с точки зрения человека) для гидробионтов являются единственным и обожаемым источником пропитания.

Человечество беззаботно пользовалось дарованной ему самоочищающейся водной экосистемой, пока успехи научно-технического прогресса не аукнулись лавинообразным ростом сбрасываемых сточных вод. Столетие назад человек научился сознательно применять гидробионты для очистки сточных вод, и на сегодняшний день биотехнологию очистки воды, связанную с использованием разнообразных живых существ или их ассоциаций, можно свести к следующим основным примерам: биопленки, обыкновенный и активный ил, где микроорганизмы, в природных или в воссозданных условиях, поедают органические загрязнения воды с непременным наличием для процесса кислорода; анаэробный ил, где процессы очистки воды, наоборот, требуют отсутствия кислорода; специально созданные микроорганизмы-деструкторы для очистки воды от определенных химических веществ и, наконец, гидробионты, составляющие пространственную сукцессию, то есть последовательную смену одних сообществ организмов (биоценозов) другими на определенном участке обработки воды. Применительно к биотехнологии очистки воды принцип построения пространственной сукцессии гидробионтов наглядней всего отражает термин «биоконвейер», занимающий в природном равновесии свою особую и чрезвычайно важную нишу.

Однако с некоторых пор в нише той стало тревожно. Появление в водной экосистеме токсичных синтетических химических соединений расстроило природную микробиологическую гармонию: гибнут биопленки, вымывается активный и анаэробный ил, то есть угнетается и погибает все живое, процветающее без ксенобиотиков в обогащенной органическими природными соединениями водной среде.

Найти путь к спасению от глобальной экологической катастрофы - конечная цель коллектива микробиологов из Института коллоидной химии и химии воды НАН Украины, развивающего работы цикла по созданию надежной, эффективной, простой, экологически безупречной и экономически приемлемой биологической системы очистки вод от опасных химических и биологических загрязнений, восстановления качества потребленной воды, а также интенсификации самоочищения и самовосстановления природных водных экосистем.

Истоки

Отдел микробиологии очистки воды был организован в 1968 году в новосозданном институте по инициативе академиков Ф.Овчаренко и Л.Кульского. Возглавил отдел известный в СССР микробиолог профессор М.Ротмистров, поставивший перед коллективом главную задачу - поиск микробов, способных биоразлагать неизвестные ранее в природе синтезированные органические соединения, получившие название «ксенобиотики» (несовместимые с жизнью).

Профессор М.Ротмистров свято верил в безграничные возможности бактерий по деструкции ксенобиотиков и шаг за шагом вместе с учениками воплощал эту веру в практические знания. Приверженность этой плодотворной идее и поистине фанатичное упорство в ее реализации присущи и его ученикам, возглавляемым неутомимым энтузиастом своего дела профессором П.Гвоздяком. Не в меньшей степени яркие личностные черты учителя способствовали формированию у преемников духа раскрепощенности, свободы мысли и независимости суждений. Приведу наглядный тому пример.

К 30-летию Победы в институте устроили собрание. Очень хотелось, чтобы этот один из немногих по-настоящему почитаемых народом праздников был отмечен как можно более человечно. Поэтому обошлись без доклада, а ветеранов прямо из президиума попросили поделиться самым волнующим моментом их военной судьбы. Получилось так, что организаторам микробиологического отдела было что рассказать коллегам и выступили они, не сговариваясь, друг за другом. Затаив дыхание, слушали академика Федора Даниловича Овчаренко о том, как пришлось взглянуть ему в глаза самой смерти на Пулковских высотах под Ленинградом, в артиллерийской дуэли прямой наводкой с немецкими танкистами. С интересом узнали, как зимой сорок первого вызвали в Москве молодого Леонида Адольфовича Кульского куда-то очень высоко и предложили, как он сказал, или орден, или ордер за решение проблемы отравления или заражения немцами источников питьевого водоснабжения Москвы. Не растерялся будущий академик и предложил простой и эффективный выход: использовать для контроля безопасности воды биотестирование водопроводной воды с помощью аквариумных рыбок. Пришла очередь Михаила Николаевича. Ироничный профессор, не уважавший заорганизованности и официозности, неожиданно для всех выступил в стиле лучших традиций бравого солдата Швейка:

- В ночь на 22 июня сорок первого, - поведал он, - я находился в командировке в Одессе по поводу вспыхнувшей там дизентерии. К огромному изумлению и ужасу у меня самого разразился жуткий понос. Поэтому я отнюдь не спал, когда в четыре часа утра раздался настойчивый стук в дверь. Ворвавшийся в номер коллега с порога закричал:

- Миша, случилось ужасное!

- Что, у тебя тоже понос? - воскликнул я.

- Нет, война!

Благодарная аудитория смеялась до слез, однако, согласитесь, для того времени спичь ветерана воспринимался более чем смелым. Однако профессор Ротмистров, как никто иной, повидавший во фронтовых госпиталях подлинный кошмар изнанки войны, имел полное моральное право оценивать и прошедшее и происходящее, как говорится, по Гашеку. Именно в этой свободе духа и гражданском мужестве истоки особой воодушевленности и упорства его научной школы. В ее фундаменте особая прочность, и заложена она такими яркими личностями в науке, как академики Л.Кульский и Ф.Овчаренко, глубоко понимавшими роль биотехнологии для будущего научно-технического прогресса. С именем первого связаны признанные достижения украинской науки в области технологии обеззараживания и консервирования воды. Ярким итогом научной деятельности второго стало создание уникального по своей биологической направленности и смелости в решении крупных проблем на стыке фундаментальных наук - Института биоколлоидной химии НАН Украины.

Невидимая армия спасения и ее новое сверхоружие

Последствием рывка человечества в научно-техническом прогрессе стало создание сотен тысяч новых синтетических соединений, из которых большая часть так или иначе попадает в окружающую среду.

К счастью, новой невидимой угрозе для человечества противостоит столь же невидимая армия спасения - сообщество микроорганизмов, для которых, по мнению наших микробиологов, теоретически не существует такого химического соединения, которое невозможно было бы разрушить.

К сожалению, между теоретическими возможностями и практически достигнутым уровнем дистанция часто огромная.

Для преодоления разрыва коллектив микробиологов под руководством П.Гвоздяка усовершенствовал в биотехнологических процессах возможности использования иммобилизованных микроорганизмов, то есть прикрепленных на различных носителях.

Естественное свойство микроорганизмов прикрепляться к поверхности различных твердых субстратов используется на практике при очистке сточных вод еще со второй половины прошлого века. Такая очистка реализуется в биофильтрах, где биопленка прикрепляется к зернам стационарной загрузки из шлака, щебня, гравия, керамзита. При орошении такого биофильтра сточной водой и при естественной или принудительной аэрации создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов и гидробионтов, участвующих в очистке воды. Современные высокопористые и химически стойкие полимерные изделия расширили площадь поверхности биопленки до 100-250 м 2 в кубометре загрузки. Еще больший рывок обеспечило внедрение технологии со взвешенным псевдоожиженным слоем подвижного носителя, где в качестве носителя частички размером 0,5-1,0 мм обеспечивают суммарную удельную поверхность носителя до 1500 м 2 в кубометре.

Однако последняя технология относится к весьма тонким и наукоемким, что резко ограничивает ее триумф в наших сегодняшних реалиях.

Альтернативой эффективной, но сложной в эксплуатации технологии взвешенного слоя биомассы киевские микробиологи выбрали разработку и внедрение в производство стационарных регулярных носителей из сверхтонкого волокна неорганической и органической природы. Вскоре проф. Н.Куликов из Макеевки придумал носитель «Ерш», на что киевляне ответили еще лучшим носителем «Вія» для новых биотехнологий очистки сточных вод (кстати, «Ерш» - это увеличенный аналог ершика на кухне, а «Вія» - это «лохматая ресница» из полимерных волокон). Удельная площадь поверхности волокнистых носителей при этом возросла до 10000 м 2 в кубометре. И это еще не предел. Прямые исследования показали, что значительное число микроорганизмов закрепляется на поверхности волокон уже в первые минуты контакта с носителем. Через час поверхность волокна покрывается практически сплошным равномерным слоем клеток, а через сутки волокна обрастают многослойной плотной биопленкой.

В процессе поглощения загрязнений воды микробы быстро образуют плотную сплошную биопленку, с ростом которой питание нижних слоев пленки ухудшается и вовсе прекращается. Избыток биопленки со временем отрывается от носителя и переходит во взвесь. Это непрерывное обновление поверхностных слоев биопленки создает непрерывный режим работы биофильтра и является питательной средой для гидробионтов, выстроенных природой в последовательную (трофическую) цепочку организмов.

Есть еще одна чрезвычайно важная особенность у микробиологического сверхоружия. Сточная вода в процессе микробной очистки пополняется промежуточными продуктами трансформации исходных загрязнений, что требует наличия в системе микроорганизмов, способных усвоить весь спектр образованных деструктором промежуточных продуктов.

И тут не обойтись без широкой ассоциации микроорганизмов, использование которой обеспечивает большую устойчивость системы в целом к неблагоприятным факторам. При этом благодаря видовому разнообразию система может автоматически реагировать на изменение химического состава очищаемой воды за счет периодического создания условий для преимущественного развития то одних, то других микроорганизмов. Таким образом, реализуются возможности, присущие технологии XXI века, -саморегулирования!.. В итоге то, что медленно протекает в природном биоконвейере (например, болоте), в созданных биотехнологами реакторах происходит с поразительно высокой рукотворной скоростью.

Продается биоконвейер

Становление новой технологии пришлось как раз на время реформ. В возникших неустойчивых и непрогнозируемых условиях наши герои, то ли по наитию, то ли руководствуясь историческим и собственным жизненным опытом, не очень-то понадеялись на молочные реки и кисельные берега, обещанные новоявленными прорабами перестройки, а взяли курс на собственные силы. Здравый смысл и ветры перемен подталкивали к организационным решениям, присущим тому, что мы называем теперь малым бизнесом. Объединенные своей великой целью микробиологи не посчитали лишним в условиях сырьевого и станочного изобилия времен заката развитого социализма стать за ткацкие станки и в совершенстве освоить мастерство создания своими руками волокнистых чудо-насадок. Под недоверчивым прищуром бюрократов от науки и завистливый шепот ленивых коллег они научились сами производить насадки, сами их монтировать в сделанных своими руками биореакторах. В результате сегодня они не ведут научные беседы о чудесах пространственной сукцессии, а тот самый рукотворный биоконвейер просто реально существует, его можно заказать, оплатить и получить работающий как часики, под ключ!.. А это значит, что на рынке наукоемких технологий имеет место товар, который благодаря своим самодостаточным свойствам справедливо называют технологией XXI века.

Разработка киевских ученых была внедрена еще в начале 80-х годов для очистки «мертвой воды» - стоков черниговского ПО «Химволокно», содержащих гексаметилендиамин - синтетический аналог трупных ядов путресцина и кадаверина. До того эти устрашающие стоки сжигали в специальных печах при температуре около 950°С. Селекционированные учеными штаммы бактерий, иммобилизованные на волокнистых насадках, оказались в состоянии «оживлять» «мертвую» воду, а именно: снизить в тысячи раз содержание гексаметилдиамина в воде и, таким образом, сделали ее доступной для гидробионтов, входящих в состав активного ила.

В последующие годы были успешно очищены стоки оренбургского и тенгизского газоперерабатывающих заводов от метанола и этиленгликоля, а также станций хранения и переработки газа в Волче-Белице и Дашаве Львовской области, где из сточных вод с содержанием 1-10 г/л были практически полностью удалены такие вещества, как метанол, диэтиленгликоль, этиленамины и нефтепродукты. «Биоконвейер» с помощью водных осликов, пьявок и улиток, а также нитчатых водорослей и ряски довел смеси промышленных (нефтеперерабатывающего завода) и бытовых сточных вод г. Афинска (Краснодарский край) до такого качества, что местная санитарно-гигиеническая служба после многочисленных проверок вынуждена была согласиться с отменой хлорирования (обеззараживания) стоков после их биологической очистки.

Не без оснований выражу убеждение, что будущее наших изобретателей связано с решением проблемы улучшения качества питьевой воды. Сегодня содержание органических веществ в главных источниках хозяйственно-питьевой воды Украины - реках и водохранилищах - таково, что при хлорировании на водопроводных станциях образуются токсичные и мутагенные хлорорганические соединения.

Учеными научно обоснован путь сочетания новой биотехнологии предочистки воды с традиционными физико-химическими методами, используемыми на водопроводных станциях. В основе предочистки - все та же интенсификация самоочищающей способности загрязненных органическими, неорганическими и биологическими примесями поверхностных вод присущими им естественными гидробионтами. Такой опытный биоконвейер успешно испытан на одной из самых неблагополучных (по качеству исходной воды реки Днестр) Беляевской водоочистной станции, питающей Одессу. Разработчики уверены, что предлагаемые украинскими учеными биотехнологии не имеют себе равных и по экономическим показателям. Оснований для такой уверенности более чем достаточно - 64 авторских свидетельства СССР, 22 патента Украины, более двадцати зарубежных патентов (Австрии, Англии, Индии, Италии, Германии, Швейцарии, Японии и др.).