25 лет назад в сточных водах одной из пивоварен в Нидерландах была обнаружена новая бактерия, весьма удивившая ученых. Микробы эти производили гидразин, очень нестабильное соединение, используемое в ракетном топливе и чрезвычайно ядовитое для большинства живых организмов.
Гидразин нужен бактериям не для того, чтобы летать в космос. Он — лишь промежуточная ступень большого процесса. Эти микроорганизмы превращают едкий и опасный аммоний в обычный азот, из которого на 78% состоит воздух. В честь химической реакции, которую они осуществляют, их прозвали anammox-бактериями (anaerobic ammonium oxidation — анаэробное окисление аммония).
Это их свойство привлекло Эрика Лохана, руководителя научно-исследовательского проекта «Живые механизмы» (Living machines) компании Worrell Water Technologies. «Живые механизмы» разрабатывают систему очистки воды, которая существенно снижает ее потребление, а в перспективе может помочь избавиться от сточных вод.
Подобные системы привлекают пристальное внимание, поскольку пресная вода становится все более редким и дорогим продуктом. Согласно недавнему отчету консалтинговой компании McKinsey & Co, к 2030 году человечество будет потреблять на 40% больше воды, чем доступно сегодня.
«Живые механизмы» — а сегодня эти системы установлены уже на 20 объектах — перерабатывают сточные воды, пропуская их через фильтры бактерий и растений. Полученная вода достаточно чиста, чтобы использовать ее для слива в туалетах, полива газонов, садов и огородов. (Ее можно сделать пригодной и для питья. Но затраты — лицензия для такого рода системы, оборудование для мониторинга, — а также усилия на преодоление общественного мнения, в частности брезгливости, не окупятся. В конце концов только 10–20% воды, которую мы используем, идет на питье или приготовление пищи).
Лохан пытается включить annamox-бактерии в работу «Живых механизмов». Ведь они превращают аммоний в азот гораздо быстрее, чем другие бактерии, им не требуется кислород, а следовательно, потребляют меньше энергии.
Это, как надеется Лохан, позволит системе справляться с гораздо более загрязненными сточными водами, например, на свинофермах и коровниках. Сегодня отходы с ферм часто просто сливаются в ближайшие ямы. Во время дождей выгребные ямы иногда переполняются и утекают в реки. Традиционные методы очистки воды настолько дороги, что регулирующие инстанции не в силах заставить фермеров их применять.
«Мы надеемся, что эта технология поможет справиться с проблемой сельскохозяйственных отходов», — убежден Лохан. Она обещает быть недорогой, особенно в сравнении с традиционными методами, и будет потреблять мало энергии.
Лохана беспокоит только то, что пока бактерий использовали исключительно в лаборатории. В ближайшие месяцы Worrell Water Technologies надеется инсталлировать пробную систему на молочную ферму в Техасе, недалеко от границы с Нью-Мексико, где вода в дефиците. Воду буду использовать повторно для орошения сельскохозяйственных земель.
Принцип работы «Живых механизмов» схож с одной из наиболее продуктивных экосистем природы — приливными маршами. Эти болота, заливаемые в прилив морской водой, производят больше биомассы, чем тропические леса, благодаря тому что течения приливов позволяют размножаться разным бактериям. Во время отлива плодятся бактерии, использующие кислород, называемые аэробными. Во время прилива наступает очередь анаэробных бактерий, для которых кислород губителен.
В системе «Живых механизмов» сточные воды собираются в контейнере, после чего отфильтровываются абиотические составляющие. Затем сточные воды прокачиваются через фильтр, содержащий особого рода гравий (схожий с наполнителем кошачьих туалетов), на поверхности которого размножаются бактерии. Вместо двух приливов в день, как обычно бывает в топях, эти камни орошаются и осушаются 16 раз в день, что ускоряет активность бактерий.
Система выполняет несколько функций. Бактерии поглощают углеводы в сточных водах, производя углекислый газ. Фосфор отфильтровывается и используется как удобрение. А азотистые соединения, например мочевина, в несколько этапов преобразуются. Сначала они естественным образом превращаются в аммоний. Затем аэробная бактерия поглощает аммоний и окисляет его в нитрат (соль азотной кислоты). После этого анаэробная бактерия впитывает в себя нитрат и превращает его в безобидный азот.
Кроме того, эта система призвана нейтрализовать патогенные микроорганизмы. Почти все они погибают, потому что условия в системе для них не идеальные и они не способны тягаться с бактериями «Живых механизмов». Впрочем, некоторые микробы выживают в виде спор. Чтобы с ними справиться, в самом конце технологической цепочки воду стерилизуют ультрафиолетом, озоном или хлором.
Большую часть работы производят бактерии, однако есть еще и растения, которые повышают эффективность системы. Они создают среду для существования простейших и микроскопических ракообразных, которые поедают мертвых бактерий. Таким образом систему не приходится очищать вручную.
Кроме того, растения приятно радуют глаз и прекрасно дополняют архитектуру и ландшафтный дизайн здания и прилегающих построек. Если Лохан научит annamox-бактерий справляться со сточными водами от свиней и коров, то, может быть, и домашний скот оценит буйство зелени «Живых механизмов». Во всяком случае соседям фермеров это точно понравится, особенно тем, кто живет ниже по течению и с подветренной стороны.