Выживаемость актинобактерий при водоподготовке подземных вод с использованием сорбентов

Цель работы – рассмотрение особенностей выживаемости микроорганизмов при многоступенчатой очистке подземных вод, включающей сорбционную фильтрацию (гранулированный активированный уголь, гранодиорит, минеральный сорбент), хлорирование (гипохлорит натрия) и ультрафиолетовое облучение. Показано, что выживаемость мицелиальных микроорганизмов и формирование биопленок на заключительных этапах водоподготовки зависят от присутствия микропримесей органических веществ, качественных характеристик сорбентов и природного адаптационного потенциала микробоценозов подземных вод. При очистке подземных вод в искусственных системах природные микробные комплексы вырабатывают определенную стратегию выживания, которая сопровождается сукцессионными перестройками, изменением метаболических процессов и физико-химических параметров окружающей среды. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии (VEGA 3 LMH TESCAN, Чешская Республика) и спектрофотометрии (UV-3600 Shimadzu, Япония) установлено, что при фильтрации подземных вод через гранулированный активированный уголь существует риск сорбции спор актинобактерий в порах, на поверхности гранул и их дальнейшее прорастание в питьевой воде при хранении. Гранулированный активированный уголь представляет собой базовую матрицу для развития сложных микробных консорциумов, которые в прикрепленном состоянии принимают активное участие в трансформации легкодоступных и трудноминерализуемых органических веществ. Анализ показал, что образование мицелия актинобактериями на одной из стадий развития приводит к высокой гетерогенности в водной среде, когда их морфология может быть представлена отдельными фрагментами, мицелиальными биопленками и пеллетами. Распространение спор в технологической линии, формирование мицелиальных пеллет и биопленок в очищенной воде влияют на ее органолептические показатели.

1. Sousa A., Taveira M., Silva L. Groundwater from private drinking water wells: Imminent public health issue // Water Resources. 2015. Vol. 42. no. 4. P. 517–524. DOI: 10.1134/S0097807815040144.

2. Perst E.I., Hammes F., van Loosdrecht M.C.M., Vrouwenvelder J.S. Biological Stability of Drinking Water: Controlling Factors, Methods, and Challenges // Frontiers in Microbiology. 2016. Vol. 7. no. 45. P. 1–24. DOI: 10.3389/fmicb.2016.00045

3. Ravindiran G., Saravanan P., Jeyaraju R.M., Josephraj J. Water – Conventional and novel treatment methods // Solar-Driven Water Treatment. Chapter 2 / ed. O. Mahian, J. Wei, R.A. Taylor, S. Wongwises. Academic Press, 2022. P. 37–66. DOI:10.1016/B978-0-323-90991-4.00003-7.

4. Trifirò F., Zanirato P. Water Purification: Physical, Mechanical, Chemical and Biological Treatments // Mathews Journal of Pharmaceutical Science. 2024. Vol. 8. no. 3. P. 1–13. DOI:10.30654/MJPS.10042.

5. Cuthbert M.O., Gleeson T., Moosdorf N., Befus K.M., Schneider A., Hartmann J., Lehner B. Global patterns and dynamics of climate-groundwater interactions // Nature climate change. 2019. Vol. 9. P. 137–141. DOI: 10.1038/s41558-018-0386-4.

6. Кулаков В.В., Кондратьева Л.М. Биогеохимические аспекты очистки подземных вод Приамурья // Тихоокеанская геология. 2008. Т. 27. N 1. С. 109–118. EDN: LMCAQX.

7. Швец В.М. Водорастворенные органические вещества и оценка их влияния на качество питьевых подземных вод // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2016. N 1. С. 43–49. EDN: VSNYNP.

8. Арискина Ю.Ю., Митяева Л.А., Домашенко Ю.Е., Васильев С.М. Обоснование эффективности фильтровально-сорбционной загрузки при очистке подземных вод // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2019. N. 4. С. 31–42. DOI: 10.31774/2222-1816-2019-4-31-42. EDN: XHNJSE.

9. Sajid M. Industrial Applications of Activated Carbon // Activated Carbon: Progress and Applications. Chapter 2 / ed. C. Verma, M.A. Quraishi. Royal Society of Chemistry, 2023. P. 23–41. DOI:10.1039/BK9781839169861-00023.

10. Ma B., LaPara T.M., Hozalski R.M. Microbiome of drinking water biofilters is influenced by environmental factors and engineering decisions but has little influence on the microbiome of the filtrate // Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 54. no. 18. P. 11526–11535. DOI: 10.1021/acs.est.0c01730. EDN: ZAZYLC.

11. Zhang N., Zhang D.-D., Ji H.-D., Yu X.-W., Zhang Z.-C., Yang S.-M., Zhang C.-F. Redox Structures of Humic Acids Derived From Different Sediments and Their Effects on Microbial Reduction Reactions // Frontiers in Microbiology. 2018. Vol. 9. P. 1225. DOI:10.3389/fmicb.2018.01225.

12. Liang C.-H., Chiang P.-C. Mathematical model of the nonsteady-state adsorption and biodegradation capacities of BAC filters // Journal of Hazardous Materials. 2007. Vol. 139. no. 2. P. 316–322. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.06.033. EDN: MBFCVX.

13. Gibert O., Lefèvre B., Fernández M., Bernat X., Paraira M., Pons M. Fractionation and removal of dissolved organic carbon in a full-scale granular activated carbon filter used for drinking water production // Water Research. 2013. Vol. 47. no. 8. P. 2821–2829. DOI: 10.1016/j.watres.2013.02.028.

14. Asquith E.A., Evans C.A., Geary P.M., Dunstan R.H., Cole B. The role of Actinobacteria in taste and odour episodes involving geosmin and 2-methylisoborneol in aquatic environments // Journal of water supply: research and technology – Aqua. 2013. Vol. 62. no. 7. P. 452–467. DOI: 10.2166/aqua.2013.055. EDN: SSBPPH.

15. Kim D., Park H.J., Nam S., Kim S.C., Lee H. Humic substances degradation by a microbial consortium enriched from subarctic tundra soil // Korean Journal of Microbiology. 2019. Vol. 55. no. 4. P. 367–376. DOI: 10.7845/kjm.2019.9141. EDN: IPIFAH.

16. Wilking J.N., Angelini T.E., Seminara A., Brenner M.P., Weitz D.A. Biofilms as complex fluids // MRS Bulletin. 2011. Vol. 36. no. 5. P.385–391. DOI:10.1557/mrs.2011.71. EDN: ZQCMEY.

17. Vrouwenvelder J.S., Dreszer C., Linares R.V., Kruithof J.C., Mayer C., Flemming H.-C. Why and how biofilms cause biofouling – the “hair-in-sink”-effect // The Perfect Slime: Microbial Extracellular Polymeric Substances (EPS). Edition: 1 / ed. H.-C. Flemming, T.R. Neu, J. Wingender. London: IWA Publishing, 2016. P. 193–206.

18. Desmond P., Best J.P., Morgenroth E., Derlon N. Linking composition of extracellular polymeric substances (EPS) to the physical structure and hydraulic resistance of membrane biofilms // Water Research. 2018. Vol. 132. P. 211–221. DOI:10.1016/j.watres.2017.12.058.

19. Simões L.C., Simões M., Oliveira R., Vieira M.J. Potential of the adhesion of bacteria isolated from drinking water to materials // Journal of Basic Microbiology. 2007. Vol. 47. no. 2. P. 174–183. DOI: 10.1002/jobm.200610224.

20. Кулаков В.В., Бердников Н.В., Крутикова В.О., Архипова Е.Е. Природные и техногенные процессы минералообразования в водоносном горизонте Амуро-Тунгусского междуречья // Тихоокеанская геология. 2019. Т. 38. N 2. С. 63–72. DOI: 10.30911/0207-4028-2019-38-2-63-72. EDN: YYHPHN.

21. Ширшова Л.Т., Гиличинский Д.А., Остроумова Н.В., Ермолаев А.М. Применение спектрофотометрии для определения содержания гуминовых веществ в многолетнемерзлых отложениях // Криосфера Земли. 2015. Т. 19. N 4. С. 107–113. EDN: SYXYGZ.

22. Hofmann R., Griebler C. DOM and bacterial growth efficiency in oligotrophic groundwater: Absence of priming and co-limitation by organic carbon and phosphorus // Aquatic Microbial Ecology. 2018. Vol. 81. no. 1. P. 55–71. DOI: 10.3354/ame01862.

23. Tadini A.M., Constantino I.C., Nuzzo A., Spaccini R., Piccolo A., Moreira A.B., Bisinoti M.C. Characterization of typical aquatic humic substances in areas of sugarcane cultivation in Brazil using tetramethylammonium hydroxide thermochemolysis // Science of the Total Environment. 2015. Vol. 518–519. P. 201–208. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2015.02.103.

24. Braun B., Schröder J., Szewzyk U., Knecht H. Unraveling the microbial community of a cold groundwater catchment system // Water Research. 2016. Vol. 107. Р. 113–126. DOI: 10.1016/j.watres.2016.10.040. EDN: YCYJNB.

25. Bezak-Mazur E., Stoińska R., Rajca J., Łatasiewicz B. Effect of the presence of Actinomycetes in the activated sludge on the quality of the treated wastewater // E3S Web of Conferences. 2017. Vol. 17. P. 00007. DOI: 10.1051/e3sconf/20171700007.

26. Karwautz C., Zhou Y., Kerros M.-E., Weinbauer M.G., Griebler C. Bottom-Up Control of the Groundwater Microbial Food-Web in an Alpine Aquifer // Frontiers in Ecology and Evolution. 2022. Vol. 10. P. 1–14. DOI: 10.3389/fevo.2022.854228. EDN: WWSYKR.

27. Zhiteneva V., Ziemendorf É., Sperlich A., Drewes J.E., Hubner U. Differentiating between sorption and biodegradation mechanisms while removing trace organic chemicals (TOrCs) in biological activated carbon (BAC) filters // Science of the total environment. 2020. Vol. 743. P. 140567. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140567. EDN: BNVNJY.

28. Valero N.O., Gómez L.C., Melgarejo L.M. Supramolecular Characterization of Humic Acids Obtained Through the Bacterial Transformation of a Low Rank Coal // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2018. Vol. 29. no. 9. P. 1842–1853. DOI:10.21577/0103-5053.20180060.

29. Nuwarapaksha T.D., Dissanayaka D.M.N.S., Udumann S.S., Vinujan S., Atapattu A.J. Exploring the impact of pyrolysis temperature on nutrient composition of Gliricidia sepium biochar: a comprehensive study // Technology in Agronomy. 2024. Vol. 4. no. 1. P. 1–9. DOI: 10.48130/tia-0024-0014.

30. Wu T. Byproduct formation in heterogeneous catalytic ozonation processes // Environmental Science: Advances. 2023. Vol. 2. no. 4. P. 558–569. DOI:10.1039/D2VA00216G. EDN: YUHUER.

31. Khundzhua D.A., Patsaeva S.V., Yuzhakov V.I., Terekhova V.A. Spectral characterization of fungal metabolites in aqueous medium with humus substances // Journal of Spectroscopy. 2013. Vol. 1. no. 1. P. 538608. DOI: 10.1155/2013/538608. EDN: RFIKDB.

32. Boguta P., Cybulak M., Sokołowska Z., Zarzycki R., Kacprzak A., Kobyłecki R. Quality and quantity of humic-like and fulvic-like acids entrapped in biochars – The effect of various forestry feedstock and pyrolysis temperature of biochars // Fuel. 2023. Vol. 333. no. 1. P. 126405. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.126405. EDN: LSOLJD.

33. Zahr R., Zahr S., Hajj R.E., Khalil M. Actinomycetes, Promising Therapeutic Agents: Characteristics and Active Metabolites // Journal of Biology and Todays World. 2022. Vol. 11. no. 6. P. 1–8. DOI: 10.35248/2322-3308.11.6.001.

34. Harimawan A., Zhong S., Lim C.T., Ting Y.P. Adhesion of B. subtilis spores and vegetative cells onto stainless steel – DLVO theories and AFM spectroscopy // Journal of Colloid and Interface Science. 2013. Vol. 405. P. 233–241. DOI: 10.1016/j.jcis.2013.05.031.

35. Fatima A., Aftab U., Shaaban K.A.. Sajid I., Thorson J.S. Spore forming Actinobacterial diversity of Cholistan Desert Pakistan: Polyphasic taxonomy, antimicrobial potential and chemical profiling // BMC Microbiology. 2019. Vol. 19. no. 1. P. 49. DOI:10.1186/s12866-019-1414-x. EDN: WXHIIE.

36. Смолин С.К., Швиденко О.Г., Забнева О.В., Синельникова А.В., Невинная Л.В., Клименко Н.А. Удаление ароматических соединений из воды на биологически активном угле // Химия и технология воды. 2009. Т. 31. N 6. С. 643–652.