CC BY
196УДК 574.685; 574.682
Использование хлореллы для производства кислорода и очистки сточных вод в замкнутых экосистемах
ЮНИЦКИЙ А.Э. (г. Минск), СИНЧУК О.В. (г. Брест)
Рассмотрена концепция производства кислорода в ЭкоКосмоДоме (ЭКД) на основе использования микроводоросли хлореллы, указаны соответствующие подходы к её культивированию с этой целью. Приведено описание привнесения сточных вод в культиваторы хлореллы в качестве элемента питательной среды. Последнее может служить механизмом очистки воды в замкнутой экосистеме.
Ключевые слова:
культура Chlorella, суспензия, очистка воды, переработка органических отходов, газообмен, продуцирование кислорода, хлорелла, ЭкоКосмоДом (ЭКД).
к.
космическая индустрия давно обратила внимание на хлореллу как на растительный организм со множеством универсальных свойств: занимает мало места, является генератором кислорода и вполне съедобной биомассой, содержащей почти все необходимые человеческому организму вещества. Множество экспериментов убедительно показали, что при реализации космических мегапроекгов хлореллу удобно использовать как источник кислорода и воды. Недавно у неё обнаружена ещё одна очень ценная для космонавтики способность - очищать атмосферу от вредных примесей [1].
Одним из таких мегапроекгов на околоземной орбите, готовым к реализации уже в ближайшие десятилетия, является разработанная инженером А.Э. Юницким программа БрасеШау. Её составной частью выступают биосферные ЭкоКосмоДома (ЭКД), для которых хлорелла может стать своеобразной «кислородной подушкой» [2]. В этой связи целями данной работы авторы видят исследование возможностей использования хлореллы в генерации кислорода и очистке сточных вод, а также разработку связанных с названными процессами концептуальных решений.
Хлорелла - одноклеточная зелёная водоросль, способная проявлять себя как автотрофный, так и гетеротрофный организм [3]. Особый интерес представляет биохимический состав хлореллы (рисунок 1), который включает в себя не только определённый набор витаминов и минералов, но и отличается высоким содержанием белка, что определяет питательность соответствующего продукта (богатейший состав биологически активных веществ) [4]. В связи с этим хлорелла имеет
важное хозяйственное значение. В частности, данную водоросль можно применять в качестве добавки к пище [5, 6] и кормам в животноводстве [3], а суспензию хлореллы - для удобрения почв [7].
Кроме того, принципиально интересен потенциал хлореллы для продуцирования кислорода и очистки сточных вод в замкнутых экосистемах. К настоящему времени уже имеется некоторый опыт подобного использования хлореллы в рамках проекта БИОС-3 [8,9].
Общая схема регулирования отходов в ЭКД представляет собой бинарную систему (рисунок 2) по переработке твёрдой и жидкой фракций.
Макро- и микроэлементы:
Ре, Си, Мп, Мо, Са, Мд, К, Р Со, С1, В, N и др
Витамины: А, С, Р, Е, К, лейковорин, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, биотин
Белки (40-55 %), улеводы (35 %), липиды (5-10%), минеральные вещества (< 10 %}
Незаменимые аминокислоты: 0, Е, N. Ц V, С, Т, В А, Я I, Р К, У, й С, Ц М
Другие полезные вещества: хлорофилл а, хлорофилл б, фитостероиды, антиоксида нты, каротин, биостимуляторы и др.
5-10 мкм
Рисунок! - Биохимический состав хлореллы
Хозяйственно-бытовые стоки
Жидкая фракция
Разбавленная до 10 раз
I
Твёрдая фракция
Этап очистки
Этап фильтрации
Установка хлореллы
Аэробный этап
Почвенный фильтр Частичная откачка жидкой фракции
Анаэробный этап
| Грибы, бактерии, простейшие Фракция должна быть не обезвоженной Работа конвейера
В почве
Рисунок 2 - Концептуальная схема по работе с отходами
При этом значительная часть сформированных отходов находится в жидком состоянии (рисунок 3). В обычных условиях средний расход воды в сутки на одного человека составляет около 182 л (расчёты получены экспериментальным путём в городских условиях), большая часть которой трансформируется в отходы. Такой объём отходов осуществимо переработать, используя передовые биотехнологии.
Жидкую фракцию отходов возможно перерабатывать при помощи установок для выращивания хлореллы. Для этих целей полученная жидкая фракция поступает в ёмкость для культивирования хлореллы. Объёма сточных вод, поступающих в установку, должно быть достаточно
для фотосинтеза (по нашим расчётам одна часть объёма сточных вод должна соотноситься с 10 частями объёма суспензии хлореллы). На этапе формирования сточных вод в ЭКД предлагается использовать только экологичные и природные средства гигиены и бытовой химии для снижения химической нагрузки.
При культивировании хлореллы на питательной среде из сточных вод в качестве минерального питания следует применять вещества, поступающие в коллектор в результате хозяйственной и бытовой деятельности людей, проживающих в ЭКД. Кроме того, рассмотрена возможность введения стоков из хозяйственного блока (животноводство
120 100 I 80
т ЬО
О о.
| 40 20 0
Рисунок 3 - Средний объём формирования жидких отходов на одного человека в сутки
и растениеводство). Качество полученной жидкой фракции необходимо постоянно проверять для понимания, какой объём жидких отходов не будет токсичен для культуры хлореллы. В качестве эталона для проверки питательной среды из сточных вод следует отбирать различные среды, предложенные специалистами-учёными [3]. Между тем установка хлореллы должна работать с определённым фотопериодом для того, чтобы максимально быстро и качественно проводить очистку сточных вод (возможность использования авто-трофного и гетеротрофного типов питания хлореллы).
Следующим этапом является фильтрация суспензии через песчаный фильтр и перемещение образовавшейся водной среды в болотистую часть пресного озера (природное поле фильтрации), где должны быть использованы растения, способные производить биологическую очистку воды (камыш, рогоз, ряска, циперус, тростник и др.). Кроме того, следует максимально включать в процесс зоологические объекты. В частности, на одном из этапов могут быть задействованы двустворчатые моллюски, которые служат в качестве индикатора состояния водной среды: при неблагоприятном химическом составе переработанной воды створки моллюсков захлопываются, а также у них отмечается изменение биологического ритма. Помимо биологических индикаторов требуется проводить экспресс-тест состава воды непосредственно на выходе из культиватора хлореллы. В случае если качество воды на выходе из установки не соответствует заявленным параметрам, следует увеличивать срок переработки сточных вод.
Для максимально быстрой переработки отходов большую часть из твёрдой фракции предполагается переводить в жидкую фракцию при помощи фотобиореактора закрытого типа (рисунок 4). Он представляют собой замкнутые трубки или другие ёмкости из прозрачного материала, способного к пропусканию света, который необходим для протекания фотосинтеза. После процесса перемешивания со сточными водами полученную в итоге смесь уже можно подавать в установки хлореллы.
В качестве установок для культивирования хлореллы предлагается применять установки (фотобиореакторы) закрытого и открытого типов, широко практикующиеся в хозяйственной деятельности человека (одни и те же фотобиореакторы будут использоваться на всех этапах переработки отходов).
Культиватор открытого типа, как правило, представляет собой аквариум, имеющий значительную открытую поверхность, что является большим преимуществом в плане выделения кислорода с поверхности установки. В то же время при открытом культивировании необходимо большее добавление (с периодичностью 3-5 суток) маточного раствора хлореллы в систему, так как постепенно в установке будет отмечаться всё большее число различных видов беспозвоночных животных, которые могут попадать
в систему вместе с отходами. В системах же закрытого типа (стеклянные и пластиковые трубы различного диаметра, прозрачные кубы и т. п.) такая проблема практически исключается. С целью оптимизации работы предлагается использовать комбинированную систему, что позволит повысить качество очистки и увеличить объём продуцируемого кислорода в ЭКД (80 % объёма установки спроектировать в виде закрытого фотобиореактора и около 20 % - в виде открытого).
Фотобиореактор открытого типа для культивирования хлореллы представляет собой снабжённую компрессором ёмкость с суспензией хлореллы. Компрессор постоянно подаёт воздух в ёмкость и одновременно осуществляет немеханическое перемешивание суспензии (общая схема представлена на рисунке 5).
Для избежания соотвествующихзапахов Откачка лишней жидкой фракции
система должна быть закрытого типа в систему для выращивания хлореллы
Перемешивание отходов Добавление личинок беспозвоночных животных с целью быстрого разложения
с подачей кислорода больших органических молекул на более мелкие и легко усвояемые
Обогащение твёрдых отходов Компостирование с использованием личинок
аэробными микроорганизмами беспозвоночных животных [Díptera]
До 1-2 суток До 5-7 суток
Рисунок 4 - Элемент биологического реактора для переработки твёрдой фракции отходов
В то же время использование фотобиореакторов закрытого типа (рисунок 6) требует разработки системы циркуляции суспензии хлореллы с целью газообмена. В случае применения фотобиореактора трубчатого типа необходимо предусмотреть десорбер кислорода и систему подачи углекислого газа или воздуха с высоким содержанием последнего. Вместо десорбера разрабатывается установка с использованием комбинированной системы, включающей в себя фотобиореакторы открытого и закрытого типов.
Вместе с тем немаловажным является продуцирование кислорода. По результатам проведённых экспериментов с фотобиореактором «Сирень» выяснено, что для жизни одного человека в замкнутой экосистеме достаточно 25 л суспензии, которая за сутки выделяет 429 г кислорода (при нормальных условиях плотность кислорода составляет 1,43 г/л [10]), т. е. около 300 л 0г [11]. Небольшой объём установки, способной поддерживать жизнеспособность человека, позволяет направлять избыток кислорода на целый ряд других биологических и физических процессов. Кроме того, предлагается использовать десорбер кислорода с целью создания резервного хранилища данного газа, а также для контроля концентрации газа в воздухе.
Учитывая вышесказанное, рассчитан соответствующий объём установки, необходимый для проживания в условиях ЭКД порядка тысячи человек. Такой объём фотобиореактора должен составлять не менее 25 ООО л. В сутки он будет выделять 429 кг кислорода при необходимых 906 кг/сутки на тысячу человек (на одного человека при умеренных нагрузках в среднем приходится 0,906 кг/день кислорода [12]). Однако, учитывая различные процессы, связанные с потреблением кислорода (компостирование, почвообразование), а также дыхание земноводных и водных животных, рыб, птиц и т. д., необходимо использовать установки для выращивания хлореллы объёмом около 50 000 л (при условии, что кислород в ЭКД будут дополнительно вырабатывать и фотосинтезирующие луговые и лесные растения).
Фотобиореакторы предлагается смонтировать у одной из стен ЭКД, ближе к сельскохозяйственному блоку (растениеводству и животноводству). Оптимальное продуцирование кислорода хлореллой возможно при максимальной продолжительности светового дня для неё - 20 ч (ночь - 4 ч).
Полученная суспензия хлореллы может быть применена в качестве удобрения почв и кормовой добавки в животноводстве. Отдельно предполагается культивирование хлореллы на специальной питательной среде с целью получения добавки к продуктам питания человека. Таким образом, использование хлореллы позволяет решить целый
Рисунок 6 - Фотобиореактор для культивирования хлореллы закрытого типа
ряд проблем, связанных с жизнеспособностью закрытой экосистемы ЭкоКосмоДома, в частности, задачи газообмена и очистки сточных вод.
\ \ \ \\
\ \
\ ^
Литература
1. Береговой, Г. Космос - землянам / Г. Береговой; лит. запись Я. Нечаюка. - М.: Молодая гвардия, 1981. - 192 с.
2. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.
3. Сальникова, М.Я. Хлорелла - новый вид корма / М.Я. Сальникова // Новое в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1977.-96 с.
4. Kessler, £ Comparative physiology, biochemistry and the taxonomy of Chlorella [Chlorophyceae]/ £ Kessler// Plant Systematics and Evolution. - 1976. - Vol. 125, No. 3. -P. 129-138.
5. Impact of Chlorella vulgaris on the rheology of wheat flour dough and bread texture/C. Graga [et ail// LWT. -2018. - Vol. 89. -P. 466-474.
6. Kay RA Microalgae as food and supplement / RA Kay L.L. Barton // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. - 1991. - Vol. 30, No. 6.-P. 555-573.
I. Гэсанов, З.М. Применение биоорганических удобрений нового поколения на основе хлореллы при выращивании декоративных растений в Азербайджане / З.М. Гэ-санов, Ф.С. Омаров // Субтропическое и декоративное садоводство. - 2013. - № 49. - С. 314-320.
8. Salisbury F.B. Bios-3: Siberian Experiments in Bioregenerative Life Support / F.B. Salisbury J.I. Gitelson, G.M. Lisovsky // Bioscience. - 1997. - Vol. 47, No. 9. -P. 575-585.
9. Complex biological systems: adaptation and tolerance to extreme environments / Ed. I.R. Fomina, KY. Biel, V.G. Soukhovolsky. - Hoboken: John Wiley & Sons, 2018. -606 p.
10. Карякин, Ю.В. Чистые химические вещества / Ю.В. Ка-рякин, И.И. Ангелов. - М.: Химия, 1974. - 408 с.
II. Цоглин,Л.Н. Биотехнология микроводорослей/Л.Н. Цог-лин, НА Пронина. - М.: Научный мир 2012. - 184 с.
12. Шарп, М.Р Человек в космосе / М.Р Шарп. - М: Мир 1970.-200 с.
© Юницкий А.Э., 2019 © Синчук О.В., 2019
