Умные биофабрики — такой взгляд на водоочистные сооружения предложили российские ученые. Обзорную научную статью, посвященную этой теме, исследователи выпустили в журнале Processes. В ее подготовке приняли участие сотрудники МФТИ, Башкирского государственного педагогического университета имени М. Акмуллы и Всероссийского научно-исследовательского института фитопатологии.
В публикации авторы представили обзор современных методов очистки и полезного использования сточных вод с помощью передовых микробиологических технологий и искусственного интеллекта. Благодаря им очистные сооружения смогут функционировать как ресурсосберегающие производства, которые восстанавливают воду, энергию и питательные вещества.
«В условиях роста городов, развития промышленности управление водными ресурсами все больше усложняется. Ежегодно в мире образуется более 360 млрд куб. м сточных вод. При этом лишь половина этого объема проходит очистку, а повторно используют не более 10%. Эта статистика отражает потенциал для инноваций», — констатировала Лира Гайсина, один из авторов работы, доцент Центра образовательных программ Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ, заведующая лабораторией молекулярной систематики фототрофных микроорганизмов им. Л.С. Хайбуллиной БГПУ.
По мнению ученых, с точки зрения перспективы полезного применения активный ил в очистных сооружениях — это уже не обычная биомасса, а инженерная экосистема. Идея предложенного подхода — в интеграции накопленных знаний в области микробиологии, физиологии и генетики микроорганизмов в сочетании с методами искусственного интеллекта для управления сложными микробными сообществами в сточных водах.
«Сточные воды — это богатая питательными веществами и ресурсоемкая среда, которая содержит значительные количества азота (20-85 мг/л), фосфора (30-60 мг/л), органического углерода (150-500 мг/л), микроэлементов и новых критических элементов. Наиболее ценные извлекаемые ресурсы — фосфор, азот и углерод, которые могут быть использованы в качестве аммонийных удобрений, биогаза или исходных компонентов для производства биопластиков. Это, в частности, превращает очистные сооружения в установки, которые замыкают в кругооборот сельское хозяйство, возобновляемые источники энергии и утилизацию материалов», — пояснила Лариса Гайсина.
Вместе с тем, отметили исследователи, современные предсказательные модели, которые основаны на анализе «экологической ДНК» (общая масса генетического материала, который организмы выделяют в окружающую среду — чешуйки кожи, шерсть, выделения и проч.) прогнозируют качество сточных вод с точностью более 90%.
Эти данные позволяют выполнять упреждающие мероприятия. В том числе проводить своевременную аэрацию (чтобы активировать аэробные бактерии), планировать время удержания осадка (для регулировки жизненного цикла микробных консорциумов) или дозировать внесение питательных веществ. Такие инструменты, считают исследователи, способствуют адаптивному управлению очистными сооружениями и созданию на их базе интеллектуальных биореакторов.
В будущем подобные объекты, помимо их прямого назначения, будут также служить источниками для добычи ценных ресурсов, генераторами энергии, и даже — установками для смягчения последствий глобального потепления.
Помимо этого, их можно будет применять в качестве биолабораторий с агрессивной бактериальной средой для выращивания полезных микроорганизмов. Кроме того, они могут стать и полигонами для отработки технологий по восстановлению с помощью бактерий территорий на Земле, нарушенных промышленной деятельностью.
Амбициозные возможности открывают проекты, направленные на отбор и адаптацию экстремально устойчивых микробов к внеземным условиям обитания. Это позволяет применять биореакторы на базе очистных сооружений для подготовки культур с целью терраформирования других планет.
