Одна из наиболее актуальных проблем нашего времени — дефицит и качество пресной воды, который возник на фоне двух факторов. Во-первых, рост населения провоцирует производство все большего количества товаров, в том числе ранее не имеющих аналогов. Это приводит к тому, что состав промышленных сточных вод, связанных с их производством, постоянно усложняется и становится все более разнообразным. Номенклатура бытовых товаров также постоянно расширяется, и следы всех входящих в их состав компонентов оказываются в городских сточных водах.
И те, и другие сточные воды поступают на очистные сооружения, где проявляется второй значительный фактор дефицита чистой пресной воды — технологический процесс на этих сооружениях практически не менялся на протяжении более 100 лет. Изначально он был разработан для биологической обработки сточных вод, путем деградации бактериями органических веществ, связанных в основном с человеческой жизнедеятельностью.
Но за прошедшее время в сточных водах появились новые органические вещества: фармацевтические и наркотические препараты, средства личной гигиены, солнцезащитные кремы, пестициды, промышленные химические вещества и другие. И, как оказалось, бактерии не в состоянии метаболизировать, то есть, «поедать» или разрушать всю эту присутствующую в микроконцентрациях органику. Она лишь с небольшими изменениями проходит через очистные сооружения и вместе со сбрасываемыми сточными водами попадает в природную водную среду — реки и озера. Из этих водоемов и водотоков происходит забор воды на станции водоподготовки для производства питьевой воды, технологический процесс которых также изначально не предназначался для удаления из воды новых органических микро-загрязнений.
В итоге весь этот «органический коктейль» поступает в наши дома вместе с питьевой водой. Концентрации этих веществ, под воздействием которых мы постоянно находимся, варьируются от нанограммов до микрограммов на литр. Таким образом, без большого преувеличения можно сказать, что с каждой каплей питьевой воды мы потребляем весь аптечный ассортимент. Вспоминается стихотворение С. Кольриджа: «Water, water everywhere, nor any drop to drink».
Как ученые решают проблему очистки пресной воды?
Разумеется, ученые не могли оставить без внимания эту проблему. В дополнение к основным технологическим процессам на очистных сооружениях и станциях водоподготовки были разработаны схемы дополнительной обработки сточных вод и природной воды, для удаления органических микрозагрязнений. Их результаты весьма убедительные — плазменная и ультразвуковая обработки, радиоактивное излучение, ультрафиолет и свободные радикалы в качестве сильнейших окислителей могут удалить из воды все загрязнения. Вот только стоимость воды после этих обработок становится сравнимой с ценой премиального алкоголя.
Есть и другой подход — вывести бактерии, способные жить в серной кислоте и питаться исключительно тетрациклином. Они смогут метаболизировать любую органику. Да, можно попытаться пойти таким путем, но вы понимаете насколько это сложно осуществить…
И тут ученые вспомнили о грибах, растущих на деревьях. Они выделяют ферменты, способные разлагать органику, которая входит в состав биомассы древесины. Начались исследования базидиомицетов — грибов, которые вызывают белую гниль древесины, включая вешенки и трутовики (Pleurotus ostreatus, Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Ganoderma lucidum и Irpex lacteus). В окружающей среде эти грибы эффективно разрушают лигнин для высвобождения гемицеллюлозы и целлюлозы — углеводов, которые легче метаболизируются. В этом процессе участвуют внеклеточные лигнинолитические ферменты, органические кислоты, медиаторы и вспомогательные ферменты.
Выяснилось чрезвычайно важное обстоятельство — ферментативный механизм грибов отличается своей неспецифичностью, обусловленной действием через образование свободных радикалов. Благодаря этому свойству, ферменты грибов способны трансформировать широкий спектр органических молекул, включая загрязняющие вещества, присутствующие в сточных водах. В ходе многочисленных исследований были получены хорошие результаты биодеградации органических микрозагрязнений, в том числе в реальных сточных водах, в непрерывном режиме и широком диапазоне рабочих условий.
Неспецифический ферментативный механизм грибов соответствует потребностям удаления органических микрозагрязнений и, что очень важно, грибы способны деградировать сразу нескольких загрязняющих веществ в смеси. Дело в том, что бактерии используют загрязняющие вещества в качестве субстрата для роста, поэтому низкие концентрации этих веществ в сточных водах они разлагать не смогут. Именно эту проблемы успешно решают ферментные системы грибов, путем биодеградации органических микрозагрязнений.
Сейчас перед учеными стоит новая задача — пройти путь от исследовательской активности к промышленной практике. Как быстро и будет ли вообще пройден этот путь — покажет только время. В любом случае, предстоит решить значительный объем теоретических и практических проблем. Пока что даже ведущие специалисты в данной области избегают решительных выводов. Об этом также свидетельствует вопросительная форма заголовка одной из ключевых статей в библиографии по данной теме: Can white-rot fungi be a real wastewater treatment alternative for organic micropollutants removal? [1]. Разумеется, как и всегда, есть и перспективы, и проблемы. Но отслеживать достижения в этой области безусловно необходимо.
Как еще могут помочь грибы?
Также пригодными для очистки воды могут оказаться сорбенты на основе отработанного грибного субстрата (ОГС), плодовых тел грибов и мицелия. Культивирование грибов происходит на субстрате, состоящем из отдельных лигноцеллюлозных материалов (кукурузные початки, опилки, рожь, лузга семечек, рисовая солома, пшеница и прочие), либо в сочетании с минеральными и другими добавками для устранения дефицита питательных веществ.
Эти материалы, частично подвергшиеся ферментации в процессе культивирования грибов, определяют состав и свойства ОГС. Объем этого субстрата весьма значителен — на 1 кг грибов приходится около 5 кг. Поэтому поиски вариантов утилизации ОГС весьма актуальны.
Адсорбенты из ОГС синтезируют разными способами: сушкой, измельчением, модификацией, гидротермической карбонизацией и другими. Наибольшее, число исследований по адсорбции тяжелых металлов, красителей, пестицидов и других веществ проведено с биоуглем, который получают путем пиролиза ОГС. Этот адсорбент обеспечивает определенный уровень удаления загрязняющих веществ из воды, но значительных подтверждений его преимуществ перед огромным многообразием других материалов пока нет. Кроме того, возникает вопрос, что делать с адсорбентом после его насыщения загрязняющими веществами.
В КНР разработали комбинированный способ очистки воды от красителей. На первом этапе красители адсорбируют биомассой черноголовки (Prunella vulgaris), а затем из фазы сорбента краситель удаляют, путем культивирования на нем мицелия трутовика Pycnoporus sp. Этот прием, основанный на свойствах грибных ферментов, может оказаться удачным способом детоксикации отработанных биосорбентов растительного происхождения [2]. Также адсорбенты синтезируют из отходов кулинарной переработки плодовых тел съедобных грибов, при помощи сушки и некоторых видов модификации. Но эксперименты по адсорбции тяжелых металлов и красителей [3] опять-таки не дали результатов, подтверждающих какие-либо преимущества этого вида сорбентов перед множеством других.
Также проводились исследования адсорбентов, полученных с применением грибного мицелия. К этим публикациям имеет смысл присмотреться — данный материал обладает уникальными свойствами, а синтезированные с его использованием композиты показывают высокую способность к адсорбции. Например, пористый углеродный адсорбент, который синтезируется обжигом при 600 ॰С в течение 10 мин высушенных гиф Irpex lacteus с последующей активацией при 700 ॰С с использованием смеси щелочей KOH и NaOH. Полученный адсорбент характеризовался удельной площадью поверхности 2480 м2/г и адсорбционной емкостью по красителю родамин С 1912 мг/г. При этом показатель 765 мг/г достигался уже за первые 5 мин адсорбции [4]. В другом случае магнитный адсорбент синтезировали методом восстановительной самосборки с использованием гиф Aspergillus niger и нановолокон оксида графена с адсорбционной емкостью по Ni(II) и Co(II) 97,44 и 104,34 мг/г, соответственно [5].
Также сообщается о разработке адсорбента с уникальной структурой на основе мицелия Aspergillus fumigatus, который показал высокую эффективность при удалении из водной среды органических и неорганических загрязняющих веществ [6].
В числе новейших разработок для адсорбции загрязняющих веществ из водной среды следует отметить использование микогенных наночастиц. Механизм их синтеза заключается в свойстве грибов выделять разнообразные ферменты — белки или пептиды, при воздействии токсичных соединений металлов для их детоксикации. В процессе их взаимодействия соли металлов восстанавливаются до металлов в виде наночастиц. Таким путем получают микогенные наночастицы металлов и их оксидов, которые, как оказалось, превосходят полученные традиционным способом наночастицы по адсорбционным свойствам [7]. Эта инновация имеет реальные перспективы, вплоть до создания кухонных фильтров для водопроводной воды с заменяемыми «грибными» картриджами.
Статья подготовлена с использованием материалов Михаила Владимировича Вишневского.
Источники:
1. Mir-Tatusaus J.A., Baccar R., Caminal G.,Sarr M. Can white-rot fungi be a real wastewater treatment alternative for organic micropollutants removal? A review. Water Research, 2018, v. 138, pp. 137-151.
2. Zhang X., Zhou J., Fan Y., Liu J. Adsorption of dyes from water by Prunella vulgaris stem and subsequent fungal decolorization. Korean Journal of Chemical Engineering, 2020, v. 37 (9), pp. 1445-1452.
3. Akar S.T., Gorgulu A., Kaynak Z. et al. Biosorption of reactive blue 49 dye under batch and continuous mode using a mixed biosorbent of macro-fungus Agaricus bisporus and Thuja orientalis cones. Chemical Engineeering Journal, 2009, v. 148, pp. 26–34.
4. Chen S.,Wang Z., Xia Y. et al. Porous carbon material derived from fungal hyphae and its application for the removal of dye. RSC Advances, 2019, v. 9, an 25480.
5. Chen R., Cheng Y., Wang P. et al. Enhanced removal of Co(II) and Ni(II) from high-salinity aqueous solution using reductive self-assembly of three-dimensional magnetic fungal hyphal/graphene oxide nanofibers. Science of the Total Environment, 2021, v. 756, an 143871.
6. Ahn H., Rehman J.U., Kim T. et al. Fungal mycelia functionalization with halloysite nanotubes for hyphal spreading and sorption behavior regulation: A new bio-ceramic hybrid for enhanced water treatment. Water Research, 2020, v. 186, an 116380.
7. Wang C, Liu H, Liu Z. et al. Fe3O4 nanoparticle-coated mushroom source biomaterial for Cr(VI) polluted liquid treatment and mechanism research. Royal Society Open Science, 2018, v. 5 (5), an17177