Сейчас все чаще появляются таблички с предупреждениями: «Купание запрещено» и «Вода непригодна для питья». Эти запреты — не просто формальность, а необходимая мера защиты нашего здоровья. За безобидной, на первый взгляд, гладью воды скрывается серьезная опасность: цветущие водоросли выделяют токсины, промышленные стоки оставляют после себя ядовитые примеси, а патогенные микроорганизмы в стоячей воде могут вызвать тяжелые кишечные инфекции. Неутешительная статистика и по питьевой воде. По данным Роспотребнадзора, 13,95% проб централизованного водоснабжения не соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям, причем в Калмыкии, Карелии и Бурятии этот показатель превышает 70%. Традиционные методы обеззараживания, такие как хлорирование, имеют серьезные недостатки — хлор убивает не только вредные бактерии, но и полезную микрофлору, а также наносит ущерб рыбам и водной растительности. Наиболее перспективным решением этой проблемы являются натуральные средства для очистки гидросферы. Именно такие экологичные биосорбенты впервые разработали ученые Пермского Политеха, используя природные свойства морских водорослей. Эта инновация позволяет эффективно очищать гидросреду, сохраняя при этом хрупкое равновесие экосистем.
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 источники 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 миллионов рублей, при этом лампы нужно менять ежегодно (50-100 тысяч 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 грамма на 1 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 тысяч 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 служить 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.