Водоросли и микропластик

Загрязнение окружающей среды является одной из самых насущных проблем человечества. А поиски решения этой проблемы охватывают самые разные науки, от математики и химии, до биологии и машинного обучения. Одним из самых «молодых», но уже весьма обсуждаемых элементом проблемы экологии является микропластик. Миллионы тонн неразлагаемого пластика попадает в окружающую среды ежегодно, что несет серьезную угрозу как природным средам и их обитателям, так и самим людям. Ученые из университета Миссури (Колумбия, Миссури, США) создали новый тип водорослей, который способен очищать водоемы от микропластика. В чем особенности этих водорослей, как именно они борются с пластиком, и какова перспектива их повсеместного использования? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Ежегодно утилизируемые 300 миллионов тонн неразлагаемых нефтехимических пластиков создают серьезные экологические проблемы. Помимо низкой пригодности к переработке, образующиеся при их разрушении микро- и нанопластики представляют значительную угрозу для экосистем, оказывая негативное воздействие на широкий спектр живых организмов, включая микроорганизмы, растения, животных и человека. В частности, недавнее значимое исследование показало, что у пациентов, в атеросклеротических бляшках сонной артерии которых присутствовали микропластики, наблюдался повышенный риск комбинированных неблагоприятных исходов, включая инфаркт миокарда, инсульт или смерть. Также недавние исследования показали, что микро- и нанопластики способны накапливаться в мозге в количествах до 0.5% его биомассы и могут быть связаны с рядом нарушений здоровья — от деменции до болезни Альцгеймера.

Традиционные методы удаления микропластика включают фильтрацию и флокуляцию, которые не только являются дорогостоящими, но и подвержены засорению, а также влиянию изменений химического состава воды на эффективность процесса. Современные передовые подходы к ремедиации микропластика по-прежнему в основном сосредоточены на разработке различных систем для удаления микропластика из водной среды. Например, в одном исследовании были разработаны суперпарамагнитные наночастицы типа «ядро–оболочка», способные притягивать и склеивать различные частицы микропластика в более крупные агломераты, которые затем удалялись из воды с помощью внешнего магнитного поля. В другом исследовании использовалась платформа межфазного солнечного испарения, позволяющая одновременно получать чистую воду и значительно повышать эффективность удаления микропластика из исходной среды. Однако, несмотря на важность удаления микропластика, подобные стратегии приводят к образованию отходов, требующих хранения или дополнительной переработки отработанных материалов. Хотя существующие системы очистки сточных вод демонстрируют различную эффективность удаления микропластика, их способность к удалению снижается по мере уменьшения размеров частиц. В связи с этим крайне важным является развитие экономически эффективных, устойчивых и результативных технологий ремедиации микропластика, которые могли бы быть интегрированы с системами очистки сточных вод и учитывать дальнейшую судьбу пластиковых отходов после завершения их жизненного цикла.

Для решения проблем высокой стоимости и образования вторичных отходов оптимальным подходом могла бы стать интеграция удаления микропластика со стратегией его валоризации. Такой подход позволяет рассматривать микропластик не как экологическую угрозу, а как потенциальное богатое углеродом сырье для апсайклинга, что является важным шагом на пути к экономике замкнутого цикла. Однако существенным технологическим препятствием по-прежнему остаются высокая стоимость и низкая эффективность существующих методов разделения, из-за чего получение потока микропластика, пригодного для традиционной переработки, остается экономически нецелесообразным. В связи с этим требуется смена парадигмы — переход от простого удаления микропластика к созданию синергетической системы, способной одновременно улавливать микропластик и генерировать дополнительную ценность. В данном контексте биологические системы открывают уникальные возможности. Если организм способен не только аккумулировать микропластик, но и производить ценный сопутствующий продукт, например биомассу или биопластики, весь процесс может стать экономически оправданным. Такой подход обеспечивает прямой путь дальнейшей переработки захваченного пластика за счет его включения в состав биомассы для совместной обработки, одновременно устраняя риск повторного попадания пластика в окружающую среду. Хотя биомасса водорослей уже рассматривалась в качестве сырья для производства биопластиков, ранее не предлагалось объединять захват микропластика с одновременным получением ценной биомассы водорослей. Подобная стратегия потенциально способна преодолеть экономические и логистические ограничения, препятствующие эффективной ремедиации микропластика.

Среди различных технологий ремедиации микропластика биоремедиация считается более экологически безопасной, поскольку микроорганизмы являются возобновляемыми, легко культивируемыми, а сам метод совместим с различными последующими технологическими процессами. Однако традиционные методы микробной биодеградации зависят от типа перерабатываемых пластиков и имеют ограничения при применении в условиях природной среды, где присутствует разнообразие различных типов микропластика. Альтернативный механизм основан на адгезии к поверхности клеток, при этом в ряде недавних исследований была выявлена сильная положительная корреляция между продукцией внеклеточных полимерных веществ (EPS от extracellular polymeric substances) микроорганизмами и их способностью к удалению микропластика. Например, Gloeocapsa sp., продуцирующая высокие уровни EPS, демонстрировала высокую эффективность удаления микропластика, тогда как слабые продуценты, такие как Microcystis panniformis и Synechococcus elongatus PCC 7942, показывали минимальное удаление микропластика. Кроме того, модуляция продукции EPS у Pseudomonas aeruginosa позволила реализовать механизм «захвата и высвобождения» микропластика. Использование микробных EPS для удаления микропластика в значительной степени зависит от вида микроорганизмов, при этом их эффективность существенно варьирует. Более того, EPS-опосредованное удаление микропластика характеризуется относительно низкой скоростью и эффективностью (таблица №1). Например, у Synechococcus sp. PCC 7002 требуется более шести часов для достижения лишь умеренного уровня удаления микропластика (около 80%) при использовании высоко EPS-продуцирующего штамма. Кроме того, применение микробной ремедиации микропластика требует обязательного учета токсичности, поскольку некоторые из упомянутых штаммов, например Microcystis panniformis, способны продуцировать микоцистины, представляющие угрозу для здоровья человека, сельскохозяйственных животных и дикой фауны.

Таблица №1

Несмотря на существующие ограничения, удаление микропластика с использованием микроорганизмов могло бы стать экономически и экологически устойчивым процессом, если бы организм одновременно производил полезные биопродукты, утилизировал другие загрязнители и обеспечивал высокую эффективность удаления микропластика. В этом контексте цианобактерии обладают потенциалом для синергетического использования избыточных питательных веществ. В предыдущей работе было показано, что инженерное формирование гидрофобной поверхности клетки способствовало самoагрегации цианобактерий, что, в свою очередь, облегчало дешевое и высокоэффективное извлечение биомассы. Такой дизайн был реализован с использованием вычислительного моделирования и синтетической биологии, направленной на повышение продукции лимонена, при этом базовый штамм Synechococcus elongatus UTEX 2973 (UTEX 2973) известен высокой продуктивностью и отсутствием генов, отвечающих за синтез микоцистинов. Подобные гидрофобные взаимодействия, обеспечивающие клеточную агрегацию, послужили основой для гипотезы о том, могут ли аналогичные гидрофобные эффекты также управлять взаимодействием между гидрофобными клетками и частицами микропластика, учитывая, что большинство пластиков обладают выраженной гидрофобностью. Такой подход может не только обеспечить эффективный и устойчивый метод, но и предложить принципиально иной механизм ремедиации микропластика.

В рассматриваемом нами сегодня труде представлен концептуальный дизайн RUMBA (от remediation and upcycling of microplastics by algae) — технологии ремедиации и апсайклинга микропластика с использованием водорослей, которая обеспечивает синергетическое объединение удаления микропластика, утилизации питательных веществ сточных вод и переработки пластика. Синтетико-биологическая разработка лимонен-продуцирующего штамма способствовала самoагрегации биомассы, обогащенной микропластиком, и ее последующему удалению из жидкой фазы за счет гидрофобных взаимодействий внутри популяции цианобактерий, а также между клетками и частицами микропластика. Важным результатом стало демонстрирование двух устойчивых и создающих дополнительную ценность направлений использования биомассы и извлеченного микропластика. Во-первых, генетически модифицированные цианобактерии обеспечивали эффективное поглощение питательных веществ из сточных вод, что показало их потенциал для интеграции с системами очистки сточных вод. Во-вторых, извлеченный микропластик был успешно апсайклирован в биопластиковые пленки с использованием биомассы водорослей в качестве бионаполнителя.

Результаты исследования

Высокоэффективное удаление микропластика с помощью гидрофобных цианобактериальных клеток (HCC)

Изображение №1

Микропластики характеризуются гидрофобной природой и большой удельной поверхностью, что послужило основой гипотезы проекта RUMBA о возможности удаления микропластика за счет усиления гидрофобных взаимодействий между частицами микропластика и созданным штаммом цианобактерий. Ранее было показано, что гидрофобные цианобактериальные клетки (HCC от hydrophobic cyanobacteria cell) способны к самoагрегации и автоседиментации. Клетки HCC были получены путем конструирования штамма Synechococcus elongatus UTEX 2973 с использованием методов синтетической биологии для продукции лимонена. Было установлено, что синтезируемый лимонен секретируется и накапливается на поверхности клеток до испарения, тем самым повышая гидрофобность клеточной поверхности. Уникальная гладкая поверхность клеток UTEX 2973, обусловленная нарушениями биогенеза пилей, приводит к экспонированию гидрофобных участков, что способствует межклеточным взаимодействиям и агрегации (**1a **). Действительно, у клеток HCC наблюдались агрегация и самoосаждение, тогда как у клеток дикого типа (WT от wild-type) такие эффекты отсутствовали (1b–1f). Данное поведение связано с продукцией лимонена в образцах HCC, который увеличивал гидрофобность клеточной поверхности. Последующий BATH-анализ подтвердил повышение гидрофобности, показав, что значительно большая доля клеток HCC адсорбировалась на гидрофобном слое гексадекана по сравнению с клетками дикого типа (1g). Эти результаты согласуются с ранее полученными данными, а также с данными дзета-потенциала (1h). Таким образом, было обосновано предположение, что гидрофобная поверхность клеток может эффективно взаимодействовать с гидрофобными участками поверхности пластика, приводя к агрегации клеток и микропластика, их совместному осаждению и последующему удалению микропластика (1a).

Для проверки этой гипотезы была оценена эффективность взаимодействия HCC с полистирольными (PS от polystyrene) микропластиками и их удаления. HCC продемонстрировали выраженную способность к удалению PS в широком диапазоне размеров, что проявлялось в усиленной коседиментации PS и клеток HCC (1b). При смешивании цианобактериальных клеток с PS микропластиком размером 200 нм в образцах HCC уже через 1 час отстаивания наблюдалось значительное осаждение, тогда как в образцах дикого типа подобный эффект отсутствовал (1b). В частности, процесс седиментации усиливался и ускорялся при более высоких концентрациях PS, что указывало на наличие взаимодействий между HCC и частицами микропластика (1b).

Для более детального анализа взаимодействий и оценки эффективности удаления микропластика были проведены измерения в суспензии и осадке с определением их состава. Турбидность суспензии, отражающая суммарное содержание твердых частиц, включая клетки цианобактерий и PS микропластик, была значительно ниже в образцах HCC по сравнению с WT при всех исследованных концентрациях PS (1b). Кроме того, флуоресценция хлорофилла в суспензии HCC была существенно ниже, чем в WT образцах при всех концентрациях микропластика, что указывало на уменьшение количества клеток цианобактерий в суспензии HCC по сравнению с WT в присутствии микропластика. Таким образом, результаты однозначно показывают, что HCC взаимодействуют с микропластиком, обеспечивая его коседиментацию и эффективное удаление из жидкой фазы.

Для дальнейшей оценки содержания PS микропластика в суспензиях было применено низкоскоростное центрифугирование (800 × g для частиц 200 нм и 300 × g для частиц 500 и 800 нм), позволяющая разделить цианобактериальные клетки и PS микропластик. Поскольку размеры и плотность микропластика (1.005 г/мл) и клеток цианобактерий различаются, дифференциальное центрифугирование обеспечивало осаждение клеток в первую очередь, тогда как основная часть микропластика оставалась в суспензии при низкой скорости вращения. Данный этап позволял осаждать более 95% клеток и удерживать от 82.3% до 97.7% PS микропластика в суспензии в зависимости от размера частиц, что подтверждало корректность и эффективность метода дифференциального центрифугирования.

Далее мутность центрифугированной суспензии использовалась как косвенный показатель концентрации PS. Как и ожидалось, мутность центрифугированных суспензий была значительно ниже в образцах HCC по сравнению с WT при всех исследованных концентрациях PS, что указывало на более эффективное удаление значительной части микропластика из жидкой фазы (1c). Одновременно после центрифугирования в образцах HCC наблюдалось заметно меньшее количество осадка по сравнению с WT. Аналогичные результаты были получены для PS микропластика различных размеров. Кроме того, долгосрочный эксперимент по удалению микропластика в объеме 0.5 л показал, что процесс седиментации сохранял эффективность на протяжении 19 дней непрерывного наблюдения. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что HCC эффективно взаимодействуют с PS, обеспечивая высокоэффективное удаление микропластика из раствора.

Эффективность удаления микропластика HCC оценивалась в три этапа. Во-первых, был проанализирован процент сухой массы в суспензии и осадке как для образцов дикого типа (WT), так и для HCC. Для стандартизации измерений, учитывая отсутствие выраженного осадка в WT образцах, во всех случаях отбирались нижние 5 мл образца, рассматриваемые как «осадок». Хотя такая стратегия отбора могла приводить к некоторому завышению оценки эффективности удаления микропластика у WT (и WT-PS), ее влияние на результаты HCC считалось минимальным из-за относительно низкой концентрации клеток в суспензии. Измерения сухой массы показали, что доля осадка составляла 11.9% и 82.5% от общей массы соответственно для WT и HCC в отсутствие PS (1d). В присутствии PS доля осадка у WT незначительно увеличилась до 12.7%, тогда как у HCC наблюдалось значительное увеличение до 90.3% (1d).

Во-вторых, для более детального анализа состава суспензии был применен термогравиметрический анализ (TGA от thermogravimetric analysis). Результаты показали, что доля сухой массы микропластика составляла 65.3% и 37.8% от общей массы суспензии для WT и HCC соответственно (1e).

В-третьих, на основе данных первых двух этапов был рассчитан коэффициент удаления. Расчеты показали, что HCC удаляли 91.4% PS микропластика в течение 1 часа. Полученная эффективность превосходила ранее разработанные методы биоремедиации микропластика, основанные на EPS (таблица №1).

Кроме того, способность к удалению микропластика была оценена путем определения количества клеточной биомассы, необходимого для удаления 5 мг PS микропластика размером 200 нм — количества, которое является измеримым и находится в пределах возможностей HCC. На 1f показано, что 40 мг HCC достаточно для удаления 83.7% из 5 мг PS микропластика, что соответствует приблизительной удельной способности удаления около 0.1 г микропластика на 1 г (сухой массы) HCC. Насколько известно, большинство ранее опубликованных систем биоремедиации не проводили количественную оценку своей емкости по удалению микропластика. Хотя емкость удаления может варьировать в зависимости от типа и размера микропластика, а также условий окружающей среды, этот параметр является важным для оценки потенциальной эффективности подобных систем.

Механистическое исследование взаимодействия микропластика и цианобактерий

Изображение №2

Для понимания механизмов взаимодействия между микропластиком и HCC были проведены комплексные микроскопические исследования. Анализ методом трансмиссионной электронной микроскопии (TEM от transmission electron microscopy) четко показал выраженное взаимодействие между PS микропластиком и HCC (2a). У клеток дикого типа наблюдалось значительно меньшее количество адсорбированных частиц PS, при этом их распределение было случайным (2a). В противоположность этому, у HCC на поверхности клеток фиксировалось существенно больше частиц PS, причем микропластик преимущественно накапливался в зонах межклеточных контактов HCC, где, как предполагается, присутствует лимонен, способствующий агрегации клеток за счет своей гидрофобной химической природы. Аналогичные закономерности были подтверждены и с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM от scanning electron microscopy). Эти наблюдения позволяют предположить, что лимонен индуцировал повышение гидрофобности клеточной поверхности, что, в свою очередь, способствовало эффективному взаимодействию с частицами микропластика.

Молекулярные механизмы дополнительно исследовались с помощью микроскопии на основе стимулированного комбинационного рассеяния (SRS от stimulated Raman scattering), которая обладает высокой способностью к неразрушающему анализу химического состава. Данная платформа позволила выявить химическое взаимодействие между лимоненом и PS микропластиком. Полученные результаты дополнительно подтвердили участие лимонена в процессе удаления PS микропластика. Было показано наличие выраженных внутриклеточных и внеклеточных сигналов лимонена в клетках HCC (2b, зеленый сигнал, первый столбец), тогда как в образцах WT такие сигналы отсутствовали. Одновременно микропластик PS визуализировался по сигналу при 2900 см⁻¹ (валентные колебания CH₂). В цианобактериальных клетках наблюдался слабый сигнал в этом диапазоне, который рассматривался как фоновый, обусловленный наличием CH₂-связей в самих клетках (2b, второй столбец). В отличие от этого, у частиц PS регистрировался значительно более сильный CH₂-сигнал (2b, красный сигнал, второй столбец). Наложение двух сигналов показало прямые взаимодействия между лимоненом и частицами PS микропластика (2b, третий столбец). Это указывает на то, что лимонен опосредует агрегацию PS и HCC и в конечном итоге приводит к коседиментации и удалению микропластика. Кроме того, измерения внеклеточных полисахаридов, являющихся основными компонентами EPS, показали, что клетки WT продуцировали более высокий уровень внеклеточных полисахаридов по сравнению с HCC. Это указывает на то, что наблюдаемое взаимодействие клеток HCC с микропластиком, вероятнее всего, не зависит от продукции EPS, что дополнительно подтверждает ключевую роль гидрофобности, индуцированной лимоненом.

Дополнительно было исследовано влияние нарушения гидрофобных взаимодействий на эффективность удаления микропластика HCC. В качестве поверхностно-активного вещества был использован Tween 20, который модифицирует гидрофобные поверхности цианобактериальных клеток и PS микропластика. При добавлении Tween 20 наблюдалось увеличение мутности суспензии в образцах HCC. Полученные результаты указывают на то, что нарушение гидрофобных взаимодействий существенно подавляет агрегацию клетка–клетка и клетка–микропластик и, соответственно, блокирует седиментацию, основанную на агрегации. После обработки Tween 20 для разделения клеток и PS микропластика в суспензии была применено низкоскоростное центрифугирование с целью количественной оценки содержания PS. Мутность центрифугированной суспензии существенно увеличилась на 48.3% в образцах WT и на 1020.9% в образцах HCC при добавлении Tween 20. Данные результаты подчеркивают ключевую роль гидрофобных взаимодействий в механизме удаления микропластика с помощью HCC.

Дополнительно для более глубокого понимания механизмов взаимодействия между HCC и микропластиком были проведены измерения дзета-потенциала. Частицы PS микропластика демонстрировали стабильно отрицательные значения дзета-потенциала: −52.42 ± 0.26 мВ, −56.16 ± 0.73 мВ и −63.88 ± 0.69 мВ для размеров 200 нм, 500 нм и 800 нм соответственно (1h). В то же время клетки HCC характеризовались значительно менее отрицательным дзета-потенциалом — −13.91 ± 1.47 мВ по сравнению с −25.78 ± 0.69 мВ у клеток дикого типа (1h). Такое уменьшение отрицательного поверхностного заряда клеток HCC может быть связано с повышенной гидрофобностью их поверхности, которая, вероятно, снижает адсорбцию полярных молекул и ионов. В результате уменьшается отрицательный заряд в слое Штерна и общий дзета-потенциал клеток.

В совокупности эти результаты подчеркивают двойную роль повышенной гидрофобности клеточной поверхности во взаимодействии HCC с PS микропластиком: с одной стороны, она ослабляет электростатическое отталкивание за счет снижения отрицательного заряда клетки, а с другой — усиливает притяжение к частицам микропластика благодаря увеличению гидрофобных взаимодействий.

HCC взаимодействуют с широким спектром микропластиков

Изображение №3

Исходя из того же механизма захвата PS микропластика, далее была исследована способность HCC удалять и другие типы микропластика, включая полиэтилентерефталат (PET от polyethylene terephthalate) и полиэтилен (PE от polyethylene). Из-за крупных размеров частиц (<300 мкм для PET и 32–38 мкм для PE) метод седиментационного анализа, использованный для количественной оценки удаления PS микропластика, оказался непригодным для изучения взаимодействий PET-HCC и PE-HCC. В качестве альтернативного подхода взаимодействие HCC с микропластиком оценивалось методом микроскопии. Как показано на 3a–3l, клетки цианобактерий визуализировались красным цветом за счет флуоресценции хлорофилла, тогда как автофлуоресценция PET и PE отображалась голубым цветом. В образцах HCC наблюдались клеточные агрегаты (3d, 3j), тогда как в WT образцах подобные структуры отсутствовали (3a, 3g). При наложении сигнала флуоресценции хлорофилла цианобактерий и автофлуоресценции PET и PE в образцах HCC отчетливо выявлялись взаимодействия клеток с микропластиком (3f, 3l). В противоположность этому, в WT образцах такие взаимодействия практически отсутствовали (3c, 3i). В частности, увеличенные изображения ясно демонстрировали прикрепление клеток и клеточных агрегатов цианобактерий к частицам PET (3m) и PE (3n). Эти результаты подтверждают наличие взаимодействий между гидрофобными клетками и различными типами микропластика и указывают на потенциальную возможность использования HCC для ремедиации широкого спектра микропластиков.

HCC удаляют микропластик в экологически релевантных условиях водоочистки

Учитывая широкое распространение микропластика практически во всех природных водных системах, далее была проведена оценка эффективности удаления микропластика, основанного на гидрофобных взаимодействиях, в экологически релевантных условиях с использованием образцов природной поверхностной воды и сточных вод. Для этого были собраны образцы воды из различных источников, включая поверхностные воды озера, расположенного в исследовательском парке кампуса Техасского университета A&M, а также образцы сточных вод с очистных сооружений университета.

Изображение №4

Для оценки эффективности гидрофобно-опосредованной агрегации и седиментации при удалении микропластика в собранные образцы воды были добавлены PS микропластики различных размеров (диаметром 200 нм, 500 нм и 800 нм) до конечной концентрации 0.02%. Эффективность удаления микропластика штаммом HCC оценивалась по мутности микропластика в суспензии после его отделения методом низкоскоростного центрифугирования, при этом клетки дикого типа использовались в качестве контроля. Для компенсации возможных ошибок подготовки образцов (например, связанных с центрифугированием) мутность микропластика в суспензиях WT была условно принята за 100%. По сравнению с WT образцами мутность суспензий HCC значительно снижалась примерно на 90% как в сточных, так и в поверхностных водах при использовании микропластика размером 500 и 800 нм (4a). Интересно, что при добавлении PS микропластика размером 200 нм также наблюдалось статистически значимое снижение мутности, однако оно было несколько менее выраженным и составляло около 80% для обоих типов воды (4a). Такое менее выраженное снижение главным образом объяснялось неожиданной частичной седиментацией, происходившей в WT образцах с 200 нм PS микропластиком.

Дополнительно были исследованы взаимодействия клеток HCC с микропластиками PS, PET и PE в условиях поверхностных и сточных вод. В обоих типах среды наблюдались отчетливые взаимодействия между HCC и частицами микропластика. В противоположность этому, между клетками дикого типа и микропластиком значимых взаимодействий выявлено не было. В целом полученные результаты ясно демонстрируют эффективность подхода к удалению микропластика, основанного на гидрофобных взаимодействиях, в экологически релевантных условиях.

HCC удаляют природные микропластики из поверхностных и сточных вод

Для дополнительной оценки способности HCC удалять природный микропластик микропластиковые частицы были предварительно выделены из образцов воды, собранных в ранее указанных локациях, а затем повторно внесены в небольшой объем соответствующих водных образцов. Например, микропластик, выделенный примерно из 200 л сточных вод, был повторно добавлен в 1 мл сточной воды. Перед внесением в экологические образцы микропластик окрашивали Nile Red. После этого к полученным образцам добавлялись клетки WT и HCC, а взаимодействия между клетками и микропластиком анализировались с помощью микроскопии. На 4b показаны выраженные взаимодействия между HCC и микропластиком, тогда как в WT образцах заметных взаимодействий не наблюдалось. Клетки HCC отчетливо агрегировали на определенных участках поверхности микропластика, что указывает на наличие у природного микропластика гидрофобных областей, обеспечивающих связывание HCC, независимо от наличия зарядов на других участках поверхности. Эти результаты дополнительно подтверждают эффективность удаления микропластика с помощью HCC.

Интеграция удаления микропластика с очисткой сточных вод и биопродукцией цианобактерий

Способность цианобактерий к удалению микропластика, основанная на гидрофобных взаимодействиях в экологически релевантных условиях, открывает возможности для интегрированных систем одновременной обработки микропластика и сточных вод. Цианобактерии в последние годы рассматриваются как перспективный инструмент очистки сточных вод за счет удаления избыточных питательных веществ. Кроме того, биопродукция на основе цианобактерий обладает значительным потенциалом для преобразования CO₂ в ценные продукты, что способствует смягчению последствий изменения климата и удовлетворению потребностей в возобновляемых материалах. Культивирование цианобактерий для утилизации CO₂, получения биотоплива и биопродуктов требует значительных объемов воды. В связи с этим интеграция удаления микропластика с очисткой сточных вод и культивированием цианобактерий в рамках исследуемой платформы RUMBA может создать основу для повышения ценности процесса и одновременной обработки больших объемов сточных вод.

В частности, было оценено влияние микропластика на рост цианобактерий. Анализы роста проводились с использованием микропластиков различного типа и размера. При низких концентрациях (< 10 мг/л) PS микропластика размером 200 нм и 800 нм не наблюдалось негативного влияния на рост цианобактерий, что согласуется с предыдущими результатами. Однако при увеличении концентрации PS микропластика наблюдалось ингибирование роста, при этом более крупные частицы вызывали менее выраженное ингибирование. В частности, значимое ингибирование роста наблюдалось при концентрации 0.05 г/л для PS микропластика размером 200 нм, тогда как для 800 нм PS микропластика значимое ингибирование не наблюдалось до концентрации 0.5 г/л. Кроме того, PET микропластик оказывал лишь незначительное влияние на рост даже при концентрациях до 5 г/л, вероятно, из-за его более крупных размеров (< 300 мкм). Учитывая относительно низкие концентрации микропластика, обычно встречающиеся в окружающей среде по сравнению с протестированными, предполагается, что при совместном культивировании с цианобактериями для биопродукции существенного ингибирующего эффекта со стороны микропластика ожидать не следует.

Далее была исследована способность HCC снижать содержание питательных веществ в образцах сточных вод. Пробы сточных вод были отобраны на входе и выходе очистных сооружений, с акцентом на концентрации нитратов, аммония и фосфатов. Во входящей воде наблюдалась низкая концентрация нитратов — 2.1 мг/л и высокая концентрация аммония — 6.8 мг/л. В то же время концентрация нитратов в выходящей воде увеличивалась до 64.7 мг/л, тогда как содержание аммония снижалось ниже предела обнаружения. Такие изменения, вероятно, связаны с процессами нитрификации в ходе очистки сточных вод. Содержание фосфатов при этом изменялось незначительно — с 8.45 мг/л во входящей воде до 10.22 мг/л в выходящей. В течение 5 суток исследуемый штамм цианобактерий продемонстрировал способность удалять 47.4% нитратов из входящей воды и 97.5% из выходящей, а также практически полностью удалять аммоний из входящей воды. Кроме того, было удалено 34.6% и 37.8% фосфатов из входящей и выходящей воды соответственно. Интересно, что добавление питательной среды для цианобактерий (BG11) в образцы сточных вод значительно усиливало удаление питательных веществ. Удаление аммония и фосфатов достигало почти 100% как во входящей, так и в выходящей воде, тогда как удаление нитратов во входящей воде составляло 96.7%. Удаление нитратов в выходящей воде при этом существенно не изменялось из-за их высокой исходной концентрации.

Очистка сточных вод, биопродукция цианобактерий и удаление микропластика были дополнительно интегрированы в специализированный фотобиореактор, в который добавляли 0.05 г PS микропластика в 500 мл цианобактериальной среды, приготовленной на основе образцов сточных вод. С учетом улучшенной способности к удалению питательных веществ при добавлении BG11, эта среда также вносилась как во входящие, так и в выходящие образцы. В течение 5 суток исследуемый штамм удалил 35.8% и 54.3% PS микропластика во входящих и выходящих образцах соответственно (таблица №2). Одновременно было удалено 98.7% и 99.4% нитратов во входящих и выходящих образцах соответственно. При этом наблюдалась продукция биомассы на уровне 2.46 г/л во входящей воде и 2.54 г/л в выходящей воде (таблица №2).

Таблица №2

Дальнейшее fed-batch культивирование (с периодическим добавление питательных веществ) увеличило удаление микропластика до 78.5% во входящих водах и 88.6% в выходящих на 8-й день (через 3 дня после начала fed-batch), при одновременном повышении выхода биомассы до 3.80 г/л и 3.50 г/л. Продление эксперимента до 9-го дня дополнительно усиливало удаление питательных веществ, однако снижало эффективность удаления микропластика в обоих типах образцов. Образцы 5-го и 9-го дней демонстрировали менее оптимальную агрегацию клеток и седиментацию по сравнению с 8-м днем, что, вероятно, связано с дефицитом питательных веществ, приводящим к снижению продукции лимонена и уменьшению гидрофобности клеток. В целом полученные результаты продемонстрировали возможность интеграции ремедиации микропластика, удаления питательных веществ и биопродукции цианобактерий. В зависимости от состава сточных вод и целевого направления биопроцесса параметры системы могут быть оптимизированы для приоритизации переработки питательных веществ, выхода биомассы или удаления микропластика.

Апсайклинг микропластика в биокомпозитные материалы

Изображение №5

Помимо очистки сточных вод и биопродукции, процесс RUMBA также открывает возможности для апсайклинга микропластика, поскольку образующийся осадок содержит как биомассу цианобактерий, так и микропластик, которые могут быть использованы для последующего производства материалов. Например, биомасса цианобактерий ранее применялась в качестве биополимерного наполнителя для композитных пластиковых пленок. Таким образом, удаленный микропластик может быть совместно переработан с биомассой цианобактерий в пластиковые композиты, что устраняет необходимость хранения и дальнейшей обработки микропластика, адсорбированного в отработанных материалах. Процесс апсайклинга представлен на 5a и 5b. Как показано на 5c, чистая PS пленка является практически прозрачной, тогда как композитные пленки, полученные из осадка, имеют золотисто-зеленый оттенок, что, вероятно, обусловлено присутствием пигментов цианобактерий в материале. Спектральный анализ показал, что пики поглощения композитных пленок соответствуют хлорофиллу и каротиноидам, что указывает на экстракцию этих пигментов и их включение в структуру пленки.

Механические испытания выявили уникальные свойства пластикового композита, полученного после апсайклинга. На 5d показано, что композитные пленки обладают иными механическими характеристиками по сравнению с чистыми PS пленками. Обе композитные пленки демонстрировали более низкую прочность на разрыв: 52.9% и 66.5% от прочности PS пленок для WT-PS и HCC-PS композитов соответственно (5e). При этом модуль упругости не показал значимых различий между чистым PS и WT-PS пленками, тогда как относительное удлинение и прочность значительно увеличились у HCC-PS пленок по сравнению как с чистым PS, так и с WT-PS материалом (5f, 5g). В частности, удлинение и прочность HCC-PS биопластиков были в 2.3 и 2.2 раза выше, чем у чистой PS пленки соответственно (5f, 5g), что указывает на улучшенные свойства материала, полученного после апсайклинга. Такое улучшение характеристик, вероятно, связано с добавлением биополимеров цианобактерий в качестве наполнителя. Полученные результаты демонстрируют перспективный путь апсайклинга микропластика, позволяющий реализовать концепцию углеродной экономики замкнутого цикла, где переработанные биокомпозиты на основе фотосинтетической фиксации CO₂ и микропластика могут потенциально служить альтернативой нефтехимическим пластиковым материалам (5b).

Технико-экономический анализ и анализ жизненного цикла

Технико-экономический анализ (TEA от techno-economic analysis) и анализ жизненного цикла (LCA от life cycle analysis) были проведены для оценки реализуемости и сценариев коммерческого применения RUMBA, а также его влияния на выбросы. LCA был выполнен для оценки экологического воздействия процесса RUMBA, интегрирующего культивирование водорослей, удаление микропластика, очистку сточных вод и производство биопластиков. Если система работает на традиционной энергии, суммарные выбросы составляют от 19.38 до 20.67 кг CO₂-эквивалента на 1 кг биопластика, при этом потребление электроэнергии остается основным источником выбросов CO₂ на протяжении жизненного цикла RUMBA процесса очистки сточных вод и производства биопластиков. Для поддержки модели экономики замкнутого цикла для водорослей также рассматривалось использование возобновляемой энергии для питания системы, что является реалистичным подходом, поскольку производство водорослей может быть напрямую совмещено с солнечной энергией за счет использования света как общего ресурса. Без учета распределения остаточной биомассы производство 1 кг биопластика с использованием апсайклинга приводит к чистому поглощению 3.21 кг CO₂ при использовании возобновляемых источников энергии. В реальных промышленных условиях, с учетом использования побочных продуктов для генерации энергии, сценарный анализ указывает на возможность достижения отрицательного углеродного баланса (−4.50 кг CO₂ на 1 кг произведенного биопластика при учете использования остаточной биомассы для производства электроэнергии). Это резко контрастирует с другими методами производства биопластиков, для которых характерны положительные выбросы CO₂ в диапазоне от 0.6 до 282.6 кг CO₂ на 1 кг биопластика. Помимо влияния на выбросы парниковых газов, данный процесс обеспечивает положительный экологический эффект за счет использования азота и фосфора из сточных вод и удаления микропластика. Полученные результаты показали, что синергия удаления и апсайклинга микропластика, продукции водорослей и использования питательных веществ сточных вод способна обеспечить значительный положительный экологический эффект.

Был также проведен TEA анализ для оценки экономических перспектив RUMBA процесса очистки сточных вод и производства биопластиков при предполагаемом годовом объеме производства 500 метрических тонн биопластика. Анализ сравнивает минимальную цену реализации (MSP от minimum selling price) биопластика для двух систем культивирования водорослей — открытых прудов и фотобиореакторов — с учетом результатов LCA-сценария. Результаты показывают, что MSP составляет 3.58 $/кг для системы открытых прудов. Эта стоимость находится в нижней части опубликованного диапазона цен на биопластики — от 3.52 до 146 $/кг. Такой уровень MSP является конкурентоспособным на рынке биопластиков, учитывая, что, например, стоимость PHA (полигидроксиалканоатов) составляет около 4–6 $/кг. MSP в системе открытых прудов наиболее чувствителен к выходу биопластика и времени пребывания, при этом основную долю в себестоимости составляет стоимость сырья. При использовании фотобиореакторов MSP увеличивается до 30.68 $/кг, что не является конкурентоспособным на текущем рынке, главным образом из-за высоких капитальных затрат на такие системы. При этом следует отметить, что современные фотобиореакторные системы не оптимизированы для экологических применений; системы открытых прудов, напротив, являются более релевантными для процессов биопродукции водорослей и очистки сточных вод. Сравнение с существующей литературой показывает, что данный подход потенциально способен снизить MSP по сравнению с ранее опубликованными оценками. В целом результаты указывают, что синергия удаления микропластика, апсайклинга и биопродукции на основе водорослей может обеспечить экономически жизнеспособные стратегии ремедиации микропластика.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о созданной ими платформе RUMBA (от remediation and upcycling of microplastics by algae) — технологии ремедиации и апсайклинга микропластика с использованием водорослей, которая обеспечивает синергетическое объединение удаления микропластика, утилизации питательных веществ сточных вод и переработки пластика, объединяющая удаление микропластика, очистку сточных вод и производство ценной биомассы цианобактерий с последующим получением биокомпозитных материалов. Ключевым элементом подхода стало использование цианобактерий с модифицированными поверхностными свойствами, обеспечивающими усиленные гидрофобные взаимодействия с частицами микропластика и их эффективную коагрегацию с клеточной биомассой.

В ходе исследования было показано, что система способна эффективно удалять различные типы микропластика в широком диапазоне условий, включая природные поверхностные и сточные воды, при этом одновременно обеспечивая высокую степень удаления биогенных элементов и стабильный рост биомассы. Дополнительно было продемонстрировано, что собранный осадок может быть переработан в биокомпозитные материалы с улучшенными механическими характеристиками по сравнению с исходным пластиком, что подтверждает возможность не только удаления, но и последующего ценного использования загрязнителей.

Перспективы применения данной технологии связаны с развитием замкнутых экологических и производственных циклов, в которых очистка воды, утилизация углерода и производство материалов объединены в единую систему. Такой подход потенциально позволяет снизить экологическую нагрузку от микропластика, повысить эффективность водоочистки и одновременно создать экономически значимые продукты, что делает концепцию RUMBA перспективной для масштабирования и интеграции в современные инфраструктуры очистки и биопроизводства.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?