Биоремедиация щелевых сточных вод кукурузного производства с помощью Haematococcus pluvialis в лабораторных условиях и в 100-л плоском бассейне

Преобразование отходов от тортильи в ресурс

Каждый день в Мексике миллионы тортильяс готовят по древнему методу ниcтамализации (nixtamalization). Этот процесс порождает агрессивные щелочные сточные воды, известные как нейайоте. Хотя их обычно рассматривают как проблемные отходы, способные загрязнять реки и озера, нейайоте содержит большое количество питательных веществ. В этом исследовании изучается, как микроорганизм пресной воды — зеленая микроводоросль Haematococcus pluvialis — может превратить проблему в возможность: очищать воду и одновременно производить питательную биомассу, которую можно использовать как удобрение или корм для животных.

Почему сточные воды от кукурузы — скрытая проблема

Ниcтамализация улучшает вкус и питательную ценность кукурузы, но оставляет после себя огромные объемы сточных вод — только в Мексике ежегодно более 14 миллионов кубометров. Эта жидкость сильно щелочная, мутная и насыщена органическим веществом, азотом, фосфором и взвешенными частицами. При сбросе без очистки в канавы или потоки она провоцирует цветение водорослей, снижает содержание растворенного кислорода и вредно влияет на водные экосистемы. Крупные промышленные производители начали применять фильтры и сложные системы обработки, но мелкие и средние тортильерии часто не могут позволить себе такую технику. В результате подавляющее большинство нейайоте покидает предприятия неочищенным, создавая широко распространенную, но в значительной степени незаметную экологическую нагрузку.

Маленькие водоросли как естественные бригады по очистке

Исследователи обратились к микроводорослям, которые способны процветать в богатых питательными веществами водах, поглощая избыточный азот, фосфор и органический углерод. Из пяти кандидатных видов Haematococcus pluvialis выделялась по способности выживать и эффективно работать в недилютированном нейайоте. Чтобы помочь этой водоросли справиться с такой экстремальной средой, ученые сначала «закалили» культуру, кратковременно подвергнув ее УФ-C облучению — это убило большинство клеток и отобрало самые устойчивые. Затем они постепенно увеличивали долю нейайоте в среде роста — от 15% до 100% — пока водоросли полностью не акклиматизировались. Такая осторожная подготовка позволила микроводорослям воспринимать нейайоте не как яд, а как пищу.

От лабораторных колб к бассейну в теплице

Масштабирование от небольшой лабораторной колбы к 100-литровому плоскому бассейну (raceway) — это не просто увеличение всех размеров. Водорослям необходим достаточный газообмен — особенно для отдачи кислорода и поступления углекислого газа — чтобы стабильно расти и продолжать очищать сточные воды. Исследователи использовали практическую инженерную величину «видимый kLa», отражающую эффективность переноса газов между воздухом и жидкостью. Измерив эту величину в маленькой колбе и затем скорректировав скорость перемешивания и работу гребного колеса в 5-литровом биореакторе и 100-литровом открытом бассейне, они стремились поддерживать сопоставимые условия газообмена на каждом масштабе. Измерения в бассейне показали, что смешивание было наиболее интенсивным вблизи гребного колеса и слабее дальше, что указывает на то, что реальные бассейны ведут себя скорее как проточные каналы, чем как идеально перемешанные емкости.

Насколько чистой становится вода?

В контролируемых лабораторных условиях адаптированные водоросли показали впечатляющие результаты. Они удаляли примерно 96% общего азота, практически 100% фосфора и более 92% химического потребления кислорода (ХПК), показателя органического загрязнения. При переносе процесса в 100-литровый уличный плоский бассейн эффективность осталась высокой, но слегка снизилась: примерно 87% по азоту, 99% по фосфору и 90% по ХПК. Падение в основном связывали с выпариванием, которое концентрировало оставшиеся загрязнители, а также с изменениями наружного света и температуры. Хотя азот и фосфор опустились ниже мексиканских пределов сброса, ХПК остался выше регулируемых порогов. Авторы предлагают добавить простые последующие этапы, такие как коагуляция с натуральными флокулянтами или фильтрация на активированном угле, чтобы довести качество воды до нормативов.

От сточных вод к полезной биомассе

Помимо очистки воды, процесс давал значительное количество микроводорослевой биомассы. Анализ показал, что высушенный материал богат белком и минералами, особенно кальцием, что делает его потенциальным компонентом биоудобрений или кормов для животных. В лаборатории водоросли содержали почти 39% белка, что снизилось примерно до 27% в большем уличном бассейне, тогда как содержание минеральной массы (определяемой как зола) выросло примерно с 31% до 47%. Увеличение минерализации отражает природно высокое содержание кальция в нейайоте и концентрирующий эффект испарения. Хотя присутствовали и следовые металлы, их уровни были низкими, и авторы отмечают, что простое промывание или другие последующие обработки могут дополнительно повысить безопасность и качество.

Практический путь к более чистому производству тортильи

Для неспециалиста главный вывод таков: микроскопическое растение может превратить проблемную сточную воду пищевой промышленности в более чистую воду и полезный побочный продукт. Тщательно «натренировав» и масштабировав культуру Haematococcus pluvialis, исследователи показали, что мелкие и средние производители тортильи в принципе могли бы внедрить относительно простую систему на основе плоских бассейнов, вписывающуюся в модель круговой биоэкономики. Хотя для полного соответствия нормам сброса требуется дополнительный полировочный этап, исследование демонстрирует прочную и масштабируемую основу для более экологичного производства тортильи, которое защищает водные ресурсы и создает ценность из того, что раньше считалось лишь отходом.

Цитирование: Najar-Almanzor, C.E., García-Cayuela, T., Gutierrez-Uribe, J. et al. Bioremediation of alkaline corn wastewater with Haematococcus pluvialis under laboratory and 100 L raceway pond conditions. Sci Rep 16, 5340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35251-9

Ключевые слова: сточные воды нейайоте, биотехнологическая очистка микроводорослями, Haematococcus pluvialis, круговая биоэкономика, переработка кукурузы