Выделение аэробных денитрифицирующих бактерий Stutzerimonas stutzeri и их применение при очистке коксовых сточных вод

Почему важно очищать промышленные сточные воды

Производство стали и другие тяжёлые отрасли используют специальные печи для превращения угля в кокс — топливо, поддерживающее работу доменных печей. В процессе эти предприятия создают тёмные, насыщенные химикатами сточные воды. Такие воды содержат высокие концентрации азотистых соединений и устойчивых органических загрязнителей, которые могут вызывать токсичные цветения водорослей, отравлять рыбу и загрязнять питьевую воду. Исследование, лежащее в основе этой статьи, изучает, как природная бактерия, выделенная из самих сточных вод коксового завода, может быть использована как живой инструмент для удаления опасных азотных и органических загрязнений из этого трудного для очистки стока.

Сложный тип сточных вод

Коксовые сточные воды — одни из самых загрязнённых промышленных сливов. Они содержат азот в разных формах — такие как нитрат, нитрит и аммиак — вместе со сложными органическими веществами, некоторые из которых являются канцерогенами. При сбросе без очистки этот азот стимулирует взрывной рост водорослей и водных растений, что приводит к падению уровня кислорода и удушью рыбы и другой живности. У людей избыток нитратов может нарушать транспорт кислорода у младенцев и способствовать образованию соединений, связанных с раком. Из‑за сочетания солёности, азота и токсичных органических веществ коксовые сточные воды сложнее очищать, чем обычные городские стоки, и они ставят традиционные очистные сооружения в тяжёлое положение.

Поиск полезного микроорганизма в самой сточной воде

Исследователи взяли воду из зоны с пониженным содержанием кислорода на коксовом заводе и выращивали местные микробы в условиях, благоприятных для тех, кто способен удалять нитрат. После серии последовательных разведений и очистительных этапов они выделили несколько бактериальных штаммов и по секвенированию гена 16S rRNA идентифицировали наиболее перспективный. Этот штамм, названный Stutzerimonas stutzeri KA1, относится к группе, известной способностью превращать нитрат в безвредный азот газообразной формы. Команда затем сравнила, насколько разные штаммы снижали концентрацию нитратов в контролируемой лабораторной среде. KA1 выделился тем, что быстро сокращал уровни нитратов при тёплых и мягко перемешиваемых условиях, что сделало его главным кандидатом для промышленного применения.

Проверка переносимости бактерии

Чтобы оценить, как KA1 может работать в реальных системах очистки, учёные меняли по одному фактору за раз: тип субстрата (пищи), соотношение углерода и азота, уровень кислорода и кислотно‑щелочной баланс (pH). Они обнаружили, что простые легкоусвояемые источники углерода работали лучше всего — при использовании ацетата натрия KA1 удалял почти весь нитрат примерно за 40 часов. Промежуточное соотношение C:N обеспечивало самое быстрое удаление; при недостатке углерода бактерия испытывала голод, тогда как излишек не давал дополнительного эффекта. Удивительно, но KA1 продолжал работать при широком диапазоне растворённого кислорода — от анаэробных условий до полностью аэрированных — что указывает на способность денитрифицировать даже при аэрации резервуаров. Он также сохранял практически полное удаление нитратов при pH от 6 до 10, широком диапазоне, покрывающем многие реальные сточные воды. Эти свойства характеризуют устойчивый микроорганизм, терпимый к меняющимся условиям без потери эффективности.

От колбы к работающему реактору

Далее команда перешла от маленьких колб к миниатюрным установкам — реакторам с последовательными циклами (sequencing batch reactors), имитирующим циклы в реальных очистных сооружениях. Все реакторы получали активный ил, обычную смесь микробов, используемую при очистке, но только в двух был проведён «биоаугментационный» ввод KA1. В ходе повторяющихся рабочих циклов все реакторы сначала удаляли некоторую долю нитратов, показывая активность местных микробов. Однако со временем результаты в контрольном реакторе ухудшились, тогда как реакторы, обогащённые KA1, продолжали улучшаться и в итоге достигли явно большей степени удаления нитратов, даже при солёных условиях, которые часто подавляют других бактерий. Исследование также отслеживало химическое потребление кислорода (COD) как общий показатель органического загрязнения и показало, что системы с KA1 разлагали эти органические вещества быстрее, чем контролы, быстрее снижая уровни COD к нулю.

Что это значит для более чистой промышленности

Для неспециалистов главный вывод таков: исследователи нашли и испытали стойкую «очищающую» бактерию, которая процветает в тех самых суровых водах, для очистки которых она предназначена. Stutzerimonas stutzeri KA1 способен удалять почти весь нитрат в реалистичных диапазонах кислорода, солёности и pH, а также способствует удалению других органических загрязнений. При добавлении в стандартные системы очистки он повышает эффективность удаления как азота, так и COD по сравнению с тем, что может обеспечить существующее микробное сообщество само по себе. Благодаря высокой эффективности и устойчивости к жёстким условиям KA1 может удешевить и упростить соблюдение экологических норм для сталелитейных и коксовых предприятий, снижая нагрузку от азотного загрязнения и помогая защищать реки, озёра и прибрежные экосистемы ниже по течению.

Цитирование: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

Ключевые слова: коксовые сточные воды, аэробная денитрификация, Stutzerimonas stutzeri, биоаугментация, удаление азота