Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология»
«Солнце, воздух и вода — наши лучшие друзья» — известная фраза, знакомая каждому с детства, сегодня требует серьезного переосмысления. Если с солнцем и воздухом ситуация относительно понятна (хотя и не без проблем), то с гидросферой дела обстоят куда сложнее. Особенно это касается природных источников, которые далеко не всегда безопасны для человека. Летом ситуация усугубляется — теплая акватория становится идеальной средой для размножения опасных микроорганизмов, а промышленные и бытовые стоки только усиливают проблему.
Согласно данным Роспотребнадзора, 25,46% проб из водоемов I категории, которые в том числе используются как источник питьевой воды, не соответствуют гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям, а такой же показатель у водоемов II категории, где обычно купаются, составляет 16,90 %. Даже централизованное водоснабжение не гарантирует безопасности: исследования показывают, что в России 13,95% проб из таких источников не соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям, а в 37 субъектах страны этот показатель превышает среднероссийский уровень.
Существующие методы очистки воды, такие как хлорирование или ультрафиолетовая обработка — потенциальная угроза для здоровья миллионов людей. Они требуют больших финансовых затрат, сложного оборудования и при этом наносят вред окружающей среде.
Наиболее опасным считается применение хлора, являясь сильным окислителем, он активно используется в водоочистке уже более века благодаря своей способности быстро нейтрализовать большинство болезнетворных микроорганизмов. Однако данный реагент уничтожает не только вредные микробы, но и полезные, нарушая хрупкий баланс водных экосистем. Даже небольшие концентрации (0,1 мг/л) губительны для рыб и водорослей, составляющих основу пищевой цепи. Помимо этого, многие бактерии (кишечная палочка, легионелла) и вирусы (гепатит А, ротавирус) вырабатывают устойчивость к хлору. Его опасные соединения сохраняются в гидросреде до месяца, накапливаясь в донных отложениях и отравляя икру и моллюсков. Например, в 2020 году после хлорирования воды в реке Кама уровень хлорид-иона превышал допустимые нормы в 22 раза.
К тому же, река Белая в Башкортостане десятилетиями страдает от промышленного загрязнения. Из-за работы местного содового предприятия содержание хлоридов в воде постоянно превышает естественный уровень в 9-14 раз. Это создает серьезную угрозу для экосистемы реки. Еще более тревожная ситуация сложилась на Ангаре возле Усолья-Сибирского. Химические заводы и мясокомбинаты сбрасывают в водоток огромное количество хлора. В некоторых местах концентрация этого опасного вещества превышает все допустимые нормы в 28 раз, что делает акваторию фактически непригодной для водных организмов.
Ультрафиолетовые установки в свою очередь, хотя и не образуют вредных соединений, но требуют значительных энергозатрат (500-1000 Вт на кубометр воды) и сложного оборудования: мощных УФ-ламп, систем предварительной фильтрации, блоков автоматики. Стоимость промышленной УФ-станции начинается от 2-3 млн рублей, при этом лампы нужно менять ежегодно (50-100 тыс. рублей за штуку). Кроме того, УФ-обработка неэффективна против некоторых устойчивых микроорганизмов (например, цист лямблий) и не обеспечивает длительного действия.
Иным подходом могут стать биосорбенты из морской флоры и йода, разработанные учеными Пермского Политеха — они эффективно уничтожают патогены (до 100% очистки), не образуя токсичных веществ и полностью разлагаясь в природе.
Йод — это эффективный природный антисептик, который есть почти в каждой домашней аптечке. Он убивает бактерии и вирусы, при этом устойчив к солнечному свету и аммиаку, в отличие от хлора. Морские водоросли служат идеальным природным фильтром — благодаря особой структуре и содержанию крахмала они впитывают йод как губка, а затем постепенно выделяют его, обеспечивая длительное обеззараживание воды. Такие водорослевые системы очистки экологически безопасны, полностью разлагаются и поддаются многоразовому использованию, сочетая в себе эффективность и экономическую выгоду.
— Мы разработали экологичную альтернативу хлорированию, используя морские водоросли. Исследовали три вида: Cystoseira barbata, Zostera marina и Phyllophora nervosa. После обработки кислотой насыщали их йодом и йодинолом, получив 6 типов природных очистителей воды. Таким образом, наибольшим ресурсом работы обладает сорбент Ph.nervosa + йодинол, а наименьшим – Z.marina + I2. Это объясняется структурой водорослей вида Ph.nervosa. Они имеют в своем составе большое количество полисахаридов, которые связываются в прочные клатраты с соединениями йода, благодаря чему процесс обеззараживания увеличивается по времени и по объему очищенной воды. Высокая эффективность очистки достигается при массе сорбента 0,06 г на один литр воды, а полное уничтожение бактерий — при 1,0 г/л, — рассказала студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Екатерина Сбитнева.
— После трех циклов регенерации сорбенты сохраняли 80% эффективности. Технология доказала свою эффективность, очистив гидросреду из Камы от 900 тыс. КОЕ/мл (показатель, который указывает количество жизнеспособных бактерий или микроорганизмов в одном миллилитре жидкости, способных образовать видимые колонии на питательной среде) до нуля. Природные свойства водорослей в сочетании с нашей разработкой создают идеальную систему очистки, — пояснила кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Лариса Пан.
Проблема с очищением воды усугубляется тем, что бактерии и вирусы становятся все более устойчивыми. В связи с этим вопрос очистки воды переходит из разряда технических проблем в категорию социально значимых задач. Разработка пермских исследователей открывает новые перспективы для решения одной из самых острых экологических проблем современности — обеспечения населения чистой питьевой и поверхностной водой без ущерба для водных экосистем.
В бытовых условиях биосорбент может использоваться в фильтрационных системах для эффективного удаления патогенных микроорганизмов при сохранении полезного минерального состава питьевой воды. В городском водоснабжении система может безопасной альтернативой традиционному хлорированию, обеспечивая качественную очистку питьевых ресурсов. Для природоохранных целей разработка позволит устанавливать стационарные фильтрующие модули в загрязненных участках водоемов, включая особо охраняемые территории, на примере Байкала и Онежского озера, а компактные фильтрующие кассеты могут применяться для защиты родниковых источников.