Потенциал обработки жидкого дигестата пятью зелёными микроводорослями в неаксеничных культурах

Превращение отходов в ресурс

Установки анаэробного сбраживания превращают пищевые и сельскохозяйственные отходы в биогаз — возобновляемое топливо. Но при этом остаётся водянистый остаток, называемый жидким дигестатом, насыщенный азотом и фосфором. Если с этим побочным продуктом обращаться некачественно, он может загрязнять реки и почвы. В этом исследовании изучается, могут ли естественные зелёные микроводоросли, растущие вместе с бактериями, очистить этот сложный раствор, переводя содержащиеся в нём питательные вещества в полезную биомассу.

Почему остатки — проблема

По мере того как производство биогаза расширяется в мире, увеличивается и объём дигестата. Жидкая часть, составляющая большую часть объёма, богата питательными элементами для растений, но также содержит органические остатки и иногда тяжёлые металлы и патогены. Распределение её по полям может служить удобрением, но в избытке приводит к загрязнению вод и перенасыщению почвы. Традиционные методы обработки часто дорогостоящи и не очень эффективны, особенно для мелких или автономных биогазовых установок. Более изящное решение — использовать жидкость как питательную среду для микроводорослей, которые поглощают питательные вещества, очищают воду и создают биомассу для таких продуктов, как корм для животных или биотопливо.

Испытание диких микроводорослей

Исследователи собрали жидкий дигестат с пилотной установки, перерабатывающей растительные отходы — кукурузу, горох и бобы. Они разбавили его всего в пять раз водой и не стерилизовали, сознательно сохранив условия, близкие к реальным. Пять штаммов зелёных микроводорослей, выделенных из природных водоёмов, а не приобретённых в коллекциях культур, выращивали в небольших освещённых реакторах в течение четырёх месяцев. Эти культуры были «неаксеничными», то есть водоросли жили вместе со своими естественными ассоциированными бактериями. Команда контролировала ключевые индикаторы загрязнения — формы азота, фосфат и органическое вещество — а также рост водорослей и изменения бактериального сообщества.

Как контроль pH изменил ситуацию

Эксперимент состоял из двух основных этапов. В первой фазе продолжительностью 60 дней дигестат подавали в реакторы без контроля кислотности (pH). Водоросли сначала росли, но по мере того как смешанное сообщество выделяло углекислый газ и трансформировало азот, pH постепенно падал до слабокислых значений. Это замедление роста ограничивало очистку: общий азот снижался примерно на 55–70%, а удаление фосфата оставалось ниже примерно 50%. Во второй фазе на 60 дней команда аккуратно повышала и поддерживала pH выше нейтрального с помощью небольших добавок гидроксида натрия. При более щелочных условиях водоросли процветали, повышался уровень хлорофилла, и реакторы удаляли существенно больше азота и фосфата, хотя удаление некоторых органических соединений оказалось менее эффективным.

Водоросли, бактерии и акт баланса

Из пяти изученных видов особенно выделялись культуры, доминируемые Desmodesmus communis. В фазе с контролем pH они удаляли почти 90% общего азота и более 90% фосфата, хотя эта водоросль не достигала наивысших чисел клеток. Её преимущество связывают с крупными многоклеточными структурами и с особенностями взаимодействия с партнёрскими бактериями. Генетический анализ показал, что при повышении pH соотношение бактериальных групп сдвигалось: одни сокращались, другие, предпочитающие щелочную и богатую питательными веществами среду, становились более распространёнными. Определённые бактерии, по-видимому, специализировались на разложении сложного органического вещества, тогда как другие способствовали удалению азота и фосфора или делали эти элементы более доступными для водорослей. Общая эффективность была результатом работы смешанного, кооперативного сообщества, а не только самих водорослей.

От загрязнённого стока к более чистым циклам

Проще говоря, исследование показывает: предоставлять микроводорослям и бактериям «делать своё дело» недостаточно — тщательный контроль pH необходим, чтобы раскрыть их полный очистительный потенциал. При правильных условиях дикие зелёные микроводоросли в сочетании с бактериями могут удалить большую часть избытка азота и фосфора из жидкого дигестата при умеренном разбавлении и без стерилизации. Это делает обработанную жидкость безопаснее для повторного использования в биогазовых установках или для возврата в окружающую среду, а полученная водорослевая биомасса может стать вторичным продуктом. Такие системы способны замкнуть циклы питательных веществ, сократить отходы и сделать производство биогаза более устойчивым.

Цитирование: Sobolewska, E., Borowski, S. & Nowicka-Krawczyk, P. Liquid digestate treatment potential of five green microalgae in non-axenic cultures. Sci Rep 16, 14589 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45636-5

Ключевые слова: микроводоросли, анаэробный дигестат, удаление питательных веществ, биогаз, очистка сточных вод