Ведущие ученые и студенты ПНИПУ (Пермский Политех) совместно с Дарьей Нестеровой и Юлией Кузнецовой создали инновационную технологию очистки сточных вод, основанную на применении уникальных дрожжей Yarrowia lipolytica для синтеза ценного удобрения — струвита. Научная работа получила высокие оценки и была представлена в рамках программы «Приоритет-2030», став новым шагом на пути к экологически чистому земледелию и более устойчивому будущему.
Питательные вещества: основа роста растений
Любое растение нуждается в полноценном питании: важнейшими элементами для его здоровья и развития традиционно считают азот и фосфор. Первый отвечает за быстрое наращивание зелёной массы, поддерживает фотосинтез, усиливает рост и формирует фундамент для синтеза белков, нуклеиновых кислот и хлорофилла. Второй обеспечивает обмен энергии в клетках, стимулирует развитие крепкой корневой системы, скорое цветение и высокое плодоношение, защищая культуру от болезней и стрессов среды.
В естественных условиях растения получают азот из воздуха, а фосфор — из минеральных и органических соединений почвы, таких как компост или навоз. Однако в современных условиях интенсивного сельского хозяйства и на истощённых либо кисло-песчаных почвах ресурсов зачастую не хватает. Вымывание полезных элементов дождем или их захват микрофлорой приводит к снижению урожайности, вынуждая фермеров использовать внешние источники подкормки.
Струвит: ресурсная революция для сельского хозяйства
Классические минеральные удобрения обладают серьезным недостатком — они слишком быстро растворяются в земле. После каждого полива или дождика до половины содержащихся в них азота и фосфора не доходят до корней растений, а уходят с водой, засоряя реки и озёра. Возникает круговая экологическая проблема.
Новые технологии позволяют внедрять так называемые «умные» удобрения. Наиболее перспективным из них признан струвит — фосфат аммония и магния, который получают из сточных вод. Его главное преимущество в том, что освобождение питательных элементов происходит неспешно, постепенно: вещества растворяются в грунте на протяжении всего вегетационного сезона. Растения успевают почти полностью усвоить азот и фосфор — их эффективность будет доходить до 90% — одновременно экологический след снижён, а почвы и экосистемы не страдают от излишних химикатов.
Высокотехнологичный синтез с участием Yarrowia lipolytica
Специалисты факультета химии и биотехнологии Пермского Политеха разработали инновационный метод выделения струвита из сточных вод с использованием биотехнологических возможностей дрожжей Yarrowia lipolytica. Как объясняет Дарья Нестерова, суть процесса сводится к тому, что сточные воды с высоким содержанием азота и фосфора направляют в специальный реактор. Здесь вводится раствор магния, который образует с аммонием и фосфатом реакционную смесь.
На следующем этапе присоединяются дрожжи Yarrowia lipolytica — они выступают как биокатализатор, ускоряя образование мелких кристаллов струвита. Осадок натурального минерального удобрения аккуратно сепарируют, сушат и подвергают анализу на чистоту и усвояемость для дальнейшего применения на полях. Такой процесс не только экологичен, но и практически не оставляет отходов, полностью замыкая круг обращения макроэлементов в природе.
– Мы смогли доказать, что наш способ эффективен и безопасен, – говорит Дарья Нестерова. – Использование дрожжей Yarrowia lipolytica не только ускоряет синтез струвита, но и позволяет внедрять технологии замкнутого земледелия на предприятиях любой мощности. Это даёт уверенность в завтрашнем дне — для аграриев, экосистем и горожан.
Объединяя науку и заботу о природе: вклад Юлии Кузнецовой и команды
Новая технология выгодно отличается как в технологическом, так и в экономическом аспектах. По словам Юлии Кузнецовой, проект открывает перед регионами России путь к современному земледелию с минимальным негативным эффектом для окружающего мира. Струвит становится промежуточным звеном между урбанизированными территориями и аграрным сектором, позволяя возвращать биогенный азот и фосфор обратно в экосистему — рационально, экономно и экологично.
Команда Пермского Политеха нацелена на дальнейшее совершенствование методов биологической очистки, развитие направлений с участием других штаммов микроорганизмов и внедрение решения в масштабное промышленное производство. Достижения молодых учёных вдохновляют и подчеркивают: профессия инженера-биотехнолога сегодня требует креативности, ответственности и желания менять мир к лучшему.
Инновация, появившаяся благодаря сотрудничеству Дарьи Нестеровой, Юлии Кузнецовой и исследователей ПНИПУ, позволяет с гордостью говорить: российская наука выходит на лидирующие позиции в области экологичных технологий и замкнутого земледелия будущего.
Современные методы получения удобрений стремятся быть максимально экологичными и эффективными. Одна из таких технологий позволяет синтезировать струвит без лишнего расхода реагентов. Особое преимущество этой методики — минимальное попадание азота и фосфора в отработанную воду. Тем не менее, кристаллы, которые образуются в процессе, отличаются маленьким размером, и примерно 1% их массы может проходить через фильтры, попадая в очищенную воду. Даже столь небольшая концентрация способна привести к экологически нежелательным эффектам: ускорить рост вредоносных водорослей, вызвать гибель рыбы и испортить качество воды для человека.
Пути решения экологической задачи
Для полного устранения остатков удобрений и предотвращения загрязнения важно обеспечить дополнительную очистку сточных вод. Исходно для этих целей применяли различные виды микроводорослей, такие как Chlorella sp. и Scenedesmus sp. Эти организмы способны питаться элементами, содержащимися в струвите, но сталкиваются с ограничениями: они не перерабатывают соединения в нерастворимом виде и не выдерживают значительных концентраций фосфора.
Именно поэтому ученые Пермского Политеха сделали ставку на другой организм — уникальные дрожжи Yarrowia lipolytica. В отличие от водорослей, они более устойчивы к разным условиям среды и способны эффективно перерабатывать остатки фосфора и азота, даже если те присутствуют в растворе в высоких концентрациях или в труднодоступной для микроорганизмов форме.
Прорыв в биотехнологиях очистки воды
В ходе экспериментов специалисты ПНИПУ провели двухэтапное исследование. Сначала дрожжи выращивали одиннадцать дней в жидкой среде, чтобы достичь оптимальной биомассы. Затем к полученной культуре добавляли порошок струвита, после чего изучали изменение кислотности раствора при температуре 20°C, что позволяло оценить активность дрожжей по растворению кристаллов удобрения.
Результаты оказались обнадеживающими: приток 1 г/л струвита стимулировал рост дрожжей, а при повышении концентрации до 2 г/л рост замедлялся из-за избытка соединения. Несмотря на это, Yarrowia lipolytica смогли демонстрировать выдающуюся эффективность: полностью удаляли из воды аммонийный азот и до 96,7% всего присутствующего фосфора. Это говорит о высоком потенциале биотехнологии для доочистки воды.
Юлия Кузнецова, ведущий эксперт ПНИПУ, отметила, что даже при экстремальном содержании струвита дрожжи справились с задачей, не только обезвредив соединения, но и обеспечив качество воды, соответствующее строгим стандартам.
Замкнутый цикл и экономия природных ресурсов
После фильтрации и обработки водой дрожжами её чистоту проверили с помощью инфракрасной спектроскопии. Выяснилось, что вода вполне безопасна и может быть вновь использована для производства новых партий струвита. Таким образом, реализуется замкнутый цикл: вода не сбрасывается в окружающую среду и многократно циркулирует в производственном процессе.
Благодаря этой схеме удается добиться исключительной экологической безопасности. Отходы практически отсутствуют, минимизированы сбросы ценных элементов, а производство удобрений переходит на принцип полностью безотходных технологий. Это крайне важно для сохранения природных водоемов, предотвращения загрязнения и формирования экологически дружественного сельского хозяйства.
Перспективы для предприятий и окружающей среды
Внедрение биотехнологии с использованием дрожжей Yarrowia lipolytica открывает новые горизонты для предприятий агроиндустрии. Теперь можно не просто предотвращать утечку опасных веществ в реки и озера, но и заново использовать очищенную воду, экономя огромное количество ресурсов. Это делает производство удобрений устойчивым, экологичным и по-настоящему зелёным.
Технология стимулирует инновации, способствует переходу к замкнутым производственным циклам и является примером внимания к вопросам экологии и рационального природопользования. Замкнутый водный баланс и повторное использование ресурсов позволяют существенно снизить расходы и оказывают благотворное влияние на окружающую среду. Всё это вселяет уверенность в то, что современные методы агропроизводства и водоочистки способны гармонично сосуществовать с природой, делая шаг к светлому, экологически ответственному будущему.
Системы очистки сточных вод играют ключевую роль в обеспечении экологической безопасности и сохранении природных ресурсов. Современные технологии позволяют эффективно удалять загрязнения, обеспечивая возврат очищенной воды в окружающую среду без вреда для природы. Благодаря инновационным разработкам, процесс очистки становится более экономичным, простым и экологичным, что особенно важно в условиях растущего числа мегаполисов и промышленного производства.
Преимущества современных технологий очистки сточных вод
Новые методы очистки отличаются высокой эффективностью и безопасностью. Благодаря использованию современных фильтров, биологических и химических реагентов удается нейтрализовать даже самые сложные загрязнители. Важной особенностью современных систем является их способность справляться с большим объемом воды, находя оптимальные решения для заводов, жилых комплексов и городов. Некоторые технологии позволяют не только очищать воду, но и возвращать ценные вещества в повторный оборот, что соответствует концепции устойчивого развития и рационального использования ресурсов.
Будущее водоочистных систем
Постоянное развитие в этой области способствует снабжению населения качественной водой даже в самых сложных условиях. Использование искусственного интеллекта и автоматизации управления процессами делает системы очистки более надежными и удобными. Во многих регионах уже внедряются комплексные проекты, позволяющие достигать практически полного очищения и повторного использования воды, что сокращает нагрузку на окружающую среду и способствует сохранению экосистем. Усилия ведущих специалистов и компаний не только повышают качество жизни, но и создают фундамент для экологически безопасного будущего.
Источник: naked-science.ru
