Выращивание северного Chlorococcum sp. в стоке анаэробного сбраживания: влияние концентрации CO2 и конфигурации реактора

Превращение сточных вод в ресурс

По мере роста городов мы сливаем огромные объемы загрязнённой воды, которая всё ещё содержит питательные вещества и углерод, пригодные для использования. Вместо того чтобы рассматривать эту воду как проблему, учёные изучают, как крошечные зелёные водоросли могут преобразовывать её в источник чистой воды, полезных продуктов и даже помогать в борьбе с изменением климата. В этом исследовании рассматривают выносливый северный микроводоросль и задаются практическим вопросом: при каких условиях он наилучшим образом очищает сточные воды, фиксирует углекислый газ и производит ценную биомассу?

От осадка до питания для водорослей

Современные станции очистки сточных вод часто используют анаэробное сбраживание — процесс, в котором микроорганизмы разлагают осадок с образованием биогаза. То, что остаётся, — это вода, богатая азотом и фосфором. При сбросе без очистки эти питательные вещества могут вызвать вредные цветения водорослей в озёрах и морях. Исследователи использовали эту жидкость как среду для роста северного штамма зелёной микроводоросли Chlorococcum. Поскольку водоросли растут за счёт фотосинтеза, им также подавали углекислый газ (CO2), имитируя газовые потоки, которые могли бы поступать из дымовых газов. Регулируя уровень CO2 и тип сосуда для культивирования, они проверяли, насколько эффективно водоросли могут расти, удалять питательные вещества и превращать углерод в биомассу.

Поиск оптимума для углекислого газа

Команда сначала сосредоточилась на воздухе, которым «дышат» водоросли. Они сравнили четыре уровня CO2: обычный воздух (очень низкий CO2) и воздух, обогащённый до 3, 6 или 9 процентов CO2. Слишком мало CO2 приводило к голоданию водорослей и поддерживало в воде неудобно высокий pH, что снижало рост. Слишком много CO2 опускало pH слишком низко и также тормозило клетки. Оптимум оказался при 6% CO2: при этой концентрации получали почти в пять раз больше биомассы, чем при обычном воздухе, и самый высокий показатель улавливания CO2 на литр культуры. Тем не менее водоросли, выращенные простым воздухом, лучше удаляли аммоний и фосфор из воды, отчасти потому, что химические процессы в щелочной воде выводили часть азота в виде газа независимо от биологических процессов.

Проектирование подходящего «дома» для водорослей

Далее учёные изучили, как физическая конструкция реактора — «дом» для водорослей — влияет на его работу. При оптимальных 6% CO2 они сравнили простую колонну с пузырьками, элерный реактор (airlift) с внутренней трубой, обеспечивающей циркуляцию, и колонну с плавающими пластиковыми носителями, предлагающими поверхности для прикрепления водорослей. Все три конструкции поддерживали комфортный, близкий к нейтральному pH. Элерный реактор давал наибольшее число клеток за кратчайшее время, что делает его привлекательным при необходимости быстрого роста. Однако простая колонна с пузырьками в итоге обеспечивала наибольшую конечную биомассу и лучше удаляла аммоний и фосфор, хотя для этого требовалось больше времени. Вариант с носителями несколько улучшил использование CO2, но не дал явного преимущества в росте или удалении питательных веществ для данного штамма водорослей.

Водоросли как платформа для будущих видов топлива

Кроме очистки воды и улавливания CO2, микроводоросли интересны тем, что их маслянистые компоненты можно превращать в биодизель. Исследователи измеряли содержание белков, углеводов и различных типов жиров в биомассе водорослей. Уровни белков и сахаров оставались сравнительно стабильными при разных уровнях CO2 и типах реакторов, что говорит о метаболической стабильности штамма. Напротив, доля жиров сильно реагировала на уровень CO2. При низком CO2 водоросли синтезировали относительно мало жира и отдавали предпочтение полиненасыщенным молекулам, связанным с клеточными мембранами. При повышенном CO2 они накапливали значительно больше жира и смещались в сторону мононенасыщенных молекул, более подходящих для биодизеля и близких по профилю к существующим стандартам топлива. Важно, что изменение конструкции реактора не меняло этот биохимический состав, что означает: инженеры могут выбирать реакторы, исходя из стоимости и производительности, не жертвуя качеством продукта.

Что это значит для чистой воды и климатических целей

Для непрофессионала это исследование показывает, что выносливый северный штамм водорослей может превратить проблемный сток от очистки сточных вод в более чистую воду, зафиксированный углерод и потенциально полезные биотоплива. Работа определяет практическое рабочее окно: умеренное обогащение CO2 около 6% в сочетании либо с быстрорастущими элерными реакторами, либо с более тщательными колоннами с пузырьками, в зависимости от того, приоритетна ли скорость или удаление питательных веществ. Несмотря на остающиеся вызовы, такие как затраты на сбор урожая и масштабную инженерию, результаты указывают на то, что системы на основе микроводорослей могут помочь городам соблюдать правила очистки воды, сокращать поступление питательных веществ в окружающую среду и поддерживать климатические и энергетические цели, интегрируя обработку отходов с производством биомассы.

Цитирование: Mohammadkhani, G., Mahboubi, A., Funk, C. et al. Cultivation of Nordic Chlorococcum sp. in anaerobic digestion effluent: Effects of CO₂ concentration and reactor configuration. Sci Rep 16, 13625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51126-5

Ключевые слова: обработка сточных вод микроводорослями, поглощение углекислого газа, сток анаэробного сбраживания, потенциал микроводорослей для биотоплива, дизайн фотобиореактора