XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Биоплёнки — это сообщества микроорганизмов, объединённых во внеклеточный матрикс, который они сами выделяют. Биоплёнки обладают структурой и функциональной организацией, позволяющей микробам эффективно взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой [5].

Биоплёнки актуальны для очистки загрязнителей благодаря их способности эффективно разлагать токсичные вещества в условиях промышленного загрязнения. Микроорганизмы в биопленках устойчивы к высоким концентрациям загрязнителей и экстремальным условиям, что делает их надёжным инструментом биоремедиации. Трёхмерная структура биоплёнки создаёт градиент кислорода, позволяя одновременно протекать аэробным и анаэробным процессам разложения, что ускоряет очистку.

В составе биопленки можно выделить три основных компонента [2]:

1. Микробные клетки. Это могут быть не только бактерии, но и грибы, протисты.

2. Внеклеточный матрикс – органические вещества, синтезированные микробами.

3. Поверхностная оболочка – слой матрикса, который находится снаружи и отделяет биопленку от окружающей среды.

Выделяют пять стадий образования биопленки [2]:

1. Стадия первичного прикрепления. Происходит адгезия или сорбция микроорганизмов к поверхности. На этом этапе они прикреплены пока еще не очень плотно, поэтому могут снова перейти в планктонную форму.

2. Стадия фиксации. Микроорганизмы выделяют полимеры, с помощью которых плотно «приклеиваются» к поверхности. В отличие от первичного прикрепления, на этой стадии адгезия становится необратимой.

3. Стадия созревания. Образуется уже целая колония микроорганизмов. Они удерживаются вместе за счет матрикса, активно размножаются. Новым клеткам становится проще прикрепиться к этой общей массе. Внутри биопленки активно накапливаются питательные вещества.

4. Стадия роста. Отдельные колонии сливаются и образуется полноценная биопленка – сложная трехмерная структура. Внутри неё клетки защищены с помощью внеклеточного матрикса и поверхностной оболочки.

5. Стадия дисперсии. Из-за нехватки питательных веществ некоторые клетки отделяются от общей массы и переходят в планктонную форму. В будущем они могут осесть на новом месте и сформировать новую биопленку.

Внутри биоплёнки протекают следующие биохимические процессы [6]:

1. Аэробное окисление. Во внешних слоях, где присутствует кислород, происходит разложение органических веществ и аммонийного азота.

2. Нитрификация. Специализированные бактерии окисляют аммоний до нитратов.

3. Анаэробные реакции. Во внутренних зонах плёнки, где кислород не проникает, идут процессы денитрификации и восстановления.

Благодаря вертикальной дифференциации среды (от кислородной к бескислородной) в пределах одной плёнки обеспечивается комплексная очистка без необходимости разделения потоков.

Некоторые из типов систем, использующих биоплёнку, это:

1. Биофильтры: сточная вода равномерно распределяется по поверхности загрузочного материала и стекает вниз, омывая биопленку. Микроорганизмы в биопленке поглощают органические загрязнения из сточной воды, окисляя их. Для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов в биопленке необходим кислород, который поступает либо естественным путем (в биофильтрах с естественной вентиляцией), либо принудительно (в биофильтрах с искусственной вентиляцией) [1].

2. Мембранные биореакторы (МБР): комплекс оборудования и резервуаров, находящихся в составе очистного сооружения, предназначенный для очистки сточных вод с применением погружных ультрафильтрационных мембран [6].

Cточная вода после решётки поступает в реактор, где активные бактерии разлагают загрязняющие вещества. Образующаяся в процессе биологической очистки биомасса пропускается через фильтр, и на выходе получается очищенная вода [3].

3. IFAS (IntegratedFixed-FilmActivatedSludge)-системы: интеграция активного ила с биоплёночными носителями в одном объёме, что позволяет объединить преимущества обоих подходов, повышая устойчивость и эффективность очистки [6].

В результате такой интеграции образуются две разные биологические популяции, которые действуют синергетически. Взвешенные твердые частицы в смешанной жидкости(MLSS - MixedLiquorSuspendedSolids) разлагают большую часть органической нагрузки, а биоплёнка создаёт мощную нитрифицирующую популяцию, которая обеспечивает окисление азотистой нагрузки. Процессы с использованием биоплёнок позволяют анаэробным, аэробным и анаэробным зонам сосуществовать на одной ступени, а системы IFAS позволяют разместить дополнительную биологическую популяцию на неподвижной поверхности, что означает отсутствие необходимости в увеличении популяции взвешенных микроорганизмов [7].

4. MBBR (MovedBedBiofilmReactor) (реактор с биопленкой на загрузке во взвешенном слое): системы с подвешенными в потоке носителями, на которых развивается биоплёнка, что обеспечивает равномерную нагрузку и интенсивный обмен веществ.

Механизм работы MBBR основан на прикреплении и росте биопленок на носителях и последующей биодеградации загрязняющих веществ. Свободно движущиеся носители обеспечивают поверхность для прикрепления и роста микроорганизмов, образуя биопленки, которые адсорбируют и разлагают органические вещества, азот, фосфор и другие загрязняющие вещества в сточных водах. Поскольку биопленка иммобилизована на носителях, системы MBBR не требуют рециркуляции осадка, что упрощает технологический процесс и снижает эксплуатационные расходы [4].

Заключение

Биоплёнки представляют собой сложные, самоорганизующиеся микробные сообщества с уникальной структурой и функциональностью, которые играют ключевую роль в биоремедиации и очистке сточных вод. Их способность к комплексному разложению загрязнителей в аэробных условиях и устойчивость к неблагоприятным факторам делают их ценным инструментом в современных технологиях очистки. Различные системы, основанные на использовании биоплёнок (биофильтры, МБР, IFAS, MBBR), демонстрируют их высокую эффективность и универсальность в решении экологических задач.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аэротенки и биофильтры: принцип работы и различия в очистке промышленных стоков. Сравнение технологий биологической очистки сточных вод. / [Электронный ресурс] // Ek-top : [сайт]. — URL: https://ek-top.ru/articles/santehnika/aeration-tanks-biofilters-industrial-wastewater-treatment/ (дата обращения: 29.11.2025).

2. Андамова Е.В. Биопленки / Андамова Е.В. [Электронный ресурс] // antiage-expert : [сайт]. — URL: https://antiage-expert.com/ru/blog/bioplenki/ (дата обращения: 29.11.2025)

3. Мембранный биореактор МБР - для очистки сточных вод / [Электронный ресурс] // Макинтехэко : [сайт]. — URL: https://vodamembrana.com/ (дата обращения: 29.11.2025).

4. Роль биореактора MBBR с биопленкой с подвижным слоем в современных системах очистки сточных вод / [Электронный ресурс] // mbbr-media : [сайт]. — URL: https://www.mbbr-media.com/ru/mbbr-moving-bed-biofilm-bio-reactor/ (дата обращения: 29.11.2025).

5. Современные микробные биоплёнки как аналог первых на Земле сообществ / [Электронный ресурс] // РУВИКИ : [сайт]. — URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/Современные_микробные_биоплёнки_как_аналог_первых_на_Земле_сообществ (дата обращения: 29.11.2025)

6. Что такое биопленка и как она влияет на эффективность очистки / [Электронный ресурс] // promecology.spb : [сайт]. — URL: https://promecology.spb.ru/articles/chto-takoe-bioplenka-i-kak-ona-vliyaet-na-effektivnost-ochistki/ (дата обращения: 29.11.2025)

7. Tom Frankel What is IFAS Wastewater Treatment and How Does It Work? / Tom Frankel [Электронныйресурс] // SSI : [сайт]. — URL: https://www.ssiaeration.com/what-is-ifas-how-does-it-work\ (датаобращения: 29.11.2025).