Az Anammox feltörekvő biotechnológiai alkalmazásai

• Az anammox baktériumok és az ammóni oxidáló archaea, a teljes ammóniás-oxidáló baktériumok és a nitrát\/nitrit-függő anaerob metán-oxidáló mikroorganizmusok közötti kölcsönhatások új megközelítést biztosítanak az anammox baktériumok nitrogén eltávolításához az alacsony-ammónium-egeraterekből származó nitrit beállításához.
• Az anyagtudomány fejlődése kimutatta, hogy az anammox baktériumok és a széntartalmú anyagok, például a grafén -oxid, a szemcsés aktivált szén, a biochar és a vas különféle formái közötti kölcsönhatások javíthatják az anammox aktivitást és a nitrogén eltávolítását.
• Az anammox baktériumok extracelluláris elektronátviteli képességeinek felfedezése azt sugallja, hogy ez egy ígéretes energiahatékony megközelítés a nitrogén eltávolításához, az egyidejű energia-visszanyeréssel.
• A tengeri anammox baktériumok sós körülmények közötti belső adaptációja kulcsfontosságú eszközvé teszi őket a sóoldat szennyvízáramának kezelésében.

Az anaerob ammónium-oxidáció (ANAMMOX) egy energiahatékony nitrogén-eltávolítási módszer, és az Anammox kutatása az elmúlt évtizedben elsősorban a háztartási szennyvízkezelés alkalmazására összpontosított. A feltörekvő kutatások azonban az új biotechnológiai alkalmazásokra és a szennyvízkezelési folyamatokra terjesztik alkalmazását.

Az Anammox baktériumok közvetlenül anaerob módon oxidálhatják az ammóniumot (NH 4+) nitrogéngázsá (N2), nitrit (no 2-) alkalmazásával elektron -elfogadóként. A mai napig az Anammox-folyamatot energiahatékonyabb és környezetbarátabb módszernek tekintik a denitrifikációhoz, összehasonlítva a hagyományos energiaigényes nitrifikációs\/denitrifikációs folyamathoz. Az Anammox használata a szennyvízkezeléshez jelentős előnyöket kínál, ideértve az energiafogyasztás 60% -os csökkenését, a külső szén-dioxid-kiegészítések teljes eltávolítását és a túlzott iszaptermelés 80% -os csökkenését, így az Anammox folyamat kulcsfontosságú elem az energia-neutrális vagy akár az energia pozitív szennyvízkezelés elérésében. Az Anammox-ot széles körben használják teljes körű létesítményekben az ipari és az oldalsó szennyvízkezelés kezelésére. Ezenkívül három sikeres, teljes körű Mainmox AMMONIUM-növényről számoltak be Strass (Ausztria), Changi (Szingapúr) és Xi'an (Kína) területén. A Strass létesítmény beszámol a mainstream iszap kiegészítéséről Anammox granulátumokkal az oldalsó reaktorban. A reaktort szakaszos levegőztetés alatt működtetik, hogy szabályozzák a nitrit oxidáló baktériumokat (NOB). Ezenkívül a Changi létesítmény anammoxban gazdag flokkulens iszapot használ, lépcsőzetes és váltakozó aerob és anoxikus körülmények között kombinálva a NOB elnyomására. A Xi'an létesítmény biofilm hordozókat használ a lassan növekvő baktériumok megtartására az anoxikus tartályokban. A reaktorokat szakaszos levegőztetéssel működtetik, hogy oldott oxigéngradienseket hozzanak létre a nitrit előállításához. Nevezetesen, bár a Changi és Xi'an létesítményeket eredetileg nem az Anammox számára tervezték, bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a teljes körű mainommox a jelenlegi szennyvíztisztító létesítmény infrastruktúráján belül is megvalósítható. Ezek a telepítések kiemelik a mainstream részleges nitritáció\/Anammox (PN\/A) potenciálját. Ezenkívül a hazai szennyvízkezelést anaerob szerves anyagkezelés (A fázis) és PN\/A (B fázis) alkalmazásával sikeresen kimutatták laboratóriumi és kísérleti skálán, jelezve az energia-semleges szennyvízkezelés felé irányuló lépést.

A mainstream PN\/A sikeres bemutatása ellenére számos kihívás van az Anammox széles körű megvalósításában a mainstream kezelésben, ideértve a stabil NO szükségességét 2- termelés, csökkentett teljesítmény alacsony hőmérsékleten és alacsony NH 4+ koncentrációk, valamint a NOB aktivitásának előmozdításának szükségessége. Az elmúlt évtizedben végzett kutatások arra irányultak, hogy kezeljék ezeket a korlátozásokat az Anammox teljes kiaknázására a hazai szennyvíz kezelésére. Jelentős előrelépés történt a stabil PN elérésében, az alacsony hőmérsékleten és az alacsony ammóniumkoncentrációkban történő teljesítmény javításában, a NOB szabályozásában, valamint a szén- és nitrogénarány széles skáláján történő működésében (C: N). Ezenkívül a közelmúltbeli előrelépések megváltoztatták az Anammox baktériumok lassú megduplázódási idejének észlelését, amelyet már nem tekintünk a technológia megvalósításának akadályának. A kutatások kimutatták, hogy a fajtól függően a gyors megduplázódási idő az Anammox baktériumok belső kinetikus tulajdonsága. Ezenkívül az Anammox fajok egyre növekvő sokfélesége és a tenyésztési módszerek fejlődése kimutatta, hogy ezek a baktériumok gyorsabban növekedhetnek, mint a korábban várták, lehetővé téve a technológia széles körű alkalmazását, függetlenül azok növekedési ütemétől.

Miközben erőfeszítéseket tesznek az Anammox alkalmazások hagyományos kihívásainak és szűk keresztmetszeteinek kezelésére a mainstream környezetben, a közelmúltbeli kutatások az innovatív megközelítésekre is összpontosítottak ezen kihívások kezelésére, például az anammox-mikrobiális interakciókra az innovatív nitrogén eltávolításra a szennyvízből, és az Anammox baktériumok interakcióinak javítására az anammoxi baktériumokkal, és javítják a vasat-kiegészítést az anammoxon, és a Bioelektromos interakciókat, és a Bioelctice-t az anyagok javításához, az ANAMMOX-ban és kezelés Anammox baktériumokkal. Ezt a kutatást új biotechnológiai alkalmazások, például a sós szennyvíz ammónia eltávolításának feltárása során végzik, tengeri anammox baktériumok (MAb) felhasználásával.

Az Anammox baktériumok egy komplex ökológiai hálózatban léteznek, ahol kölcsönhatásba lépnek a természetes környezetben, a szennyvíztisztító rendszerek és a dúsító kultúrák számos más mikrobiális populációjával. Tekintettel arra, hogy az Anammox a szennyvíz denitrifikációjának kulcsfontosságú folyamatává vált, ezeknek a komplex mikrobiális kölcsönhatásoknak a megértése nemcsak gazdagítja a mikrobiális nitrogén-kerékpározás megértését, hanem elengedhetetlen a következő generációs szennyvízkezelési technológiák fejlesztéséhez is. Általában az egylépéses PN\/A rendszerben az Anammox baktériumok együttélnek ammóniát oxidáló baktériumokkal (AOB) a részecskékben, hogy szimtrophikus kapcsolatot alakítsanak ki, ezáltal hatékonyabb denitrifikációt érve. Az AOB részben oxidálja az NH 4+ -et NO2− -re, és a generált NO2− elektron -akceptorként szolgál Anammox baktériumokhoz, oxidálva az NH 4+ -et és N2 -t termel. Az egylépéses PN\/A rendszer előnyei.

Interactions between anammox bacteria and (A) ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB), (B) ammonia oxidizing archaea (AOA), (C) complete ammonia oxidizing (comammox) bacteria, and (D) nitrate\/nitrite-dependent anaerobic methane oxidizing (n-DAMO) microorganisms.

Noha az egylépéses PN\/A rendszernek előnyei vannak a kétlépcsős rendszerhez képest, az AOB és az Anammox aktivitását befolyásoló alacsonyabb hőmérséklet, valamint egy stabil NO 2- termelés fenntartása kihívást jelent a bioreaktorok működésében és az anammox folyamatok megvalósításában az önkormányzati szennyvízkezelésben. Ezenkívül a PN oxigénfüggő jellege komplexitási réteget ad a reaktor működéséhez. A nem megfelelő oxigénellátás korlátozhatja az NH 4+ oxidációját No 2- -re, ezáltal befolyásolva az NH 4+} anammox baktériumok eltávolítását. Ezzel szemben a túllépés az NO2 túlzott termeléséhez vezethet, amely gátolja az Anammox baktériumokat és serkenti a NOB-t. Ez nitrátban (NO3–) és NOB -ban gazdag szennyvíztermelést eredményez, amelyek túlmutatják az Anammox baktériumokat. Az NO3 - felhalmozódása, akár az Anammox baktériumok vagy NOB -nál rejlő anyagcsere -aktivitásból, csökkentheti a szennyvíz általános minőségét. Ezért hatékonyabb és stabilabb módszereket kell kidolgozni a NO 2- Anammox számára történő szállításához.

Az Anammox és az ammónia-oxidáló Archaea (AOA) összekapcsolása egy feltörekvő kutatási terület, amely megígéri, hogy robusztusabb és hatékonyabb kezelési rendszert biztosít a hagyományos PN\/A-hoz képest az AOB-val. Az AOA a thaumarchaeota phylum domináns ága, amelyet különféle oligotrofikus környezetekben, például az oxigén minimális zónákban (OMZ) találnak. Az AOB -hoz képest az AOA nagyobb ellenálló képességgel rendelkezik a környezeti hőmérsékleti ingadozásokkal szemben, és szignifikánsan nagyobb affinitással rendelkezik az oxigén és az NH 4+ iránt. Az AOA nagy affinitása az NH 4+ és az oxigén számára lehetővé teszi, hogy hatékonyan működjön az alacsony szubsztrátkoncentrációkkal rendelkező környezetekben. Ezek a tulajdonságok az AOA -t alkalmassá tehetik az AMAMMOX -val a háztartási szennyvízkezeléshez, amelynek gyakran ingadozó működési körülményei vannak, mint például a hőmérsékletváltozás és az alacsony ammóniumkoncentrációk. A biofilm modellek azt sugallják, hogy az AOA stabilabb forrást biztosíthat a NO 2-, mint az AOB alacsonyabb ammónia -koncentrációnál.

Noha ezek a tanulmányok ígéretes betekintést nyújtanak az AOA-Anammox rendszerek potenciáljába, ennek a mikrobiális partnerségnek a optimalizálása nagyobb léptékű alkalmazásokban továbbra is kihívást jelent. Ezenkívül az AOA-t akadályozzák a lassú növekedési ütem és a biofilmek kialakításának rossz képessége, így kevésbé alkalmasak azok valós alkalmazásokra, ahol a gyors mikrobiális aktivitás és a stabil biofilm képződése kritikus jelentőségű. Ezzel szemben a teljes ammónia oxidáló baktériumok (Comammox) baktériumok hatékonyabb alternatívát kínálnak. Az AOA -hoz képest a Comammox baktériumok nemcsak magasabb növekedési sebességet mutatnak, hanem szélesebb szubsztrát affinitással is rendelkeznek, és lehetőséget kínálnak az Anammoxhoz kapcsolódó biofilmek növekedésére. A Comammox baktériumok a Nitrospira nemzetség egy részhalmaza, amelynek egyedülálló képessége mindkét nitrifikációs lépést végrehajtani, és az NH 4+ oxidot oxidálhatja a NO2– -re, és tovább a NO3 -ra egyetlen szervezetben. A tanulmányok beszámoltak a Comammox és az Anammox baktériumok együttéléséről és együttműködéséről a laboratóriumi és nagyszabású szennyvíztisztító rendszerek denitrifikációja során. Ezeket a rendszereket azonban nem kezdetben az Anammox-Comammox közösségek gazdagítására tervezték. A szintetikus közösségek megtervezése és létrehozása nagyobb kihívást jelent, és kevesebb tanulmány próbálta megtervezni vagy gazdagítani az ilyen interakciókat. A Gottshall és a kollégák tanulmánya szintetikus Anammox-Comammox közösségeket hozott létre a beágyazott hidrogélgyöngyökben. Ezekben a gyöngyökben a Comammox baktériumok elfoglalták az aerob külső zónát, míg az Anammox baktériumok az alábbi anoxikus rétegben laktak. Ez az interakció és a térbeli elrendezés szinte teljes nitrogén eltávolítást eredményezett, és jelentősen csökkentette az NO3 -képződést, amely a szennyvízkezelés egyik legfontosabb jellemzője, ahol a NO3 - egy nem kívánt melléktermék. Az alacsony NO3-koncentráció a szennyvízben az Anammox baktériumok és\/vagy heterotróf denitrifikátorok disimiláló nitrát-redukáló ammónia (DNRA) aktivitásának oka lehet.

Egy másik tanulmányban egy Comammox-Anammox közösséget hoztak létre Nitrospira inopinata és Anammox felhasználásával, amelyeket szénhidrogélgyöngyökben széntartóval együttesen beillesztettek. Ez az új reaktorkonfiguráció az organizmusokkal együtt bein-beolvasott szén-dioxid-fűtést alkalmazta, hogy szinte teljes NH 4+ eltávolítást érjen el alacsony hőmérsékleten (azaz 4 fokos), amikor az önkormányzati szennyvíztisztító növények szintetikus és tényleges elsődleges szennyeződéseit kezelik.

Ezen megállapításokra építve további vizsgálatok hangsúlyozták, hogy a magas NH 4+ és az alacsony oxigénkoncentrációk a legfontosabb paraméterek a fakultatív és anaerob baktériumok dúsításának és szinergetikus hatásának előmozdításához a mainstream szennyvíz denritifikációjának elérése érdekében. A jövőbeni kutatásoknak a granulált formátumok kidolgozására kell összpontosítaniuk, amelyek alkalmasak a kötegelt reaktorok (SBR) szekvenálására, és gyakorlati körülmények között és nagyobb méretű szennyvíztisztító rendszerekben kell megvizsgálni. A szemcsés rendszerek természetesen növelik a tömegátadási sebességet megnövekedett felületük és optimalizált áramlási dinamikájuk miatt, ami elengedhetetlen a szubsztrát és az oxigén hatékony diffúziójához a biofilmbe. Ezenkívül ezeknek a rendszereknek a biomassza -visszatartása magasabb, a stabilabb mikrobiális közösségek és a reaktor térfogat -követelményei jelentősen csökkennek a szemcsés rendszerek tömörítése miatt. A granulált Comammox-anammox rendszerek szintén toleránsabbak a szubsztrátkoncentráció és a környezeti körülmények ingadozásaival szemben. Figyelembe véve ezeket az előnyöket, a granulált Comammox-Anammox rendszerek fejlesztése jelentős előrelépés lehet az interakció gyakorlati megvalósításában. A végső cél az A. mikrobiofilum-anammox kölcsönhatás mikroaerofilitásának kiaknázása a levegőztetési energia megtakarítása és a mikrobiális partnerség maximalizálása érdekében a hatékony nitrogén eltávolításához.

Az anammox és a nitrát\/nitritfüggő anaerob metán-oxidáló (N-Damo) mikroorganizmusok szimbiotikus kölcsönhatása egyedülálló és környezeti szempontból fenntartható megközelítést biztosít az anaerob nitrogén és metán (CH4) egyidejű eltávolításához a szennyvízkezelő rendszerekben. Az N-Damo folyamatban részt vevő mikrobiális közösség magában foglalja a Phylum NC10 (azaz Candidatus metyomirabilis) baktériumcsoportját és a Phylum Euryarchaeota (azaz Candidatus metanoperedens) régészeti csoportját. Az N-Damo baktériumok képesek redukálni a 2- N2-re, míg az N-Damo Archaea nem csökkenti a 3- NO-ra 2- -et, mindkettő a CH4-et használja elektron donorként. Az Anammox és az N-Damo eljárás kombinálása lehetővé teszi az oldott CH4, NH {4+, 2-, és a szennyvízből nem. A legújabb fejlemények bebizonyították az anaerob és a Damo folyamatok szinergetikus összekapcsolását a bioreaktor konfigurációkban, például a membrán biofilm reaktorokban (MBFR) és a mozgó ágy biofilm reaktorok (MBBR) -ben, üreges rostokkal összekapcsolva. Ezek a reaktorkonfigurációk lehetővé teszik a hatékony biomassza -visszatartást és a CH4 bejutását membránokon és üreges rostokon keresztül, ezáltal optimális mikrokörnyezetet hozva az Anammox és a Damo organizmusok számára.

A membrán-alapú konfigurációk előnyei ellenére azonban kihívások vannak a nagyobb méretű rendszerekben való megvalósításban. A membrán nagy felületére van szükség a lassan növekvő mikroorganizmusok megőrzéséhez, ami jelentősen növeli a befektetési költségeket. Ezenkívül körülbelül 1-3 évig tart az N-Damo és az anaerob baktériumok, hogy biofilmet képezzenek, amely jelentősen növeli az indítási időt. A szemcsés Damo fejlesztése új lehetőségeket kínál a hatékonyabb reaktor konfigurációkhoz, ezáltal lépést tesz a gyakorlati alkalmazás felé. A tanulmány kimutatta, hogy az érett anaerob granulátumok biokarrerekként történő használata felgyorsította az N-Damo granulátum képződését. Ez különösen fontos, mivel a korábbi vizsgálatokban több mint egy évbe telt, hogy az N-Damo granulátumokat beszerezzék a felfüggesztett flokkokból. A granulált Damo-Anammox rendszer szintén magasabb tömegátadási sebességet, magasabb biomassza-visszatartást, a reaktor térfogat-követelményeinek szignifikáns csökkenését és a takarmánykoncentráció és a működési körülmények, például a nitrogén-terhelési sebesség és a hőmérséklet ingadozásainak nagyobb toleranciáját mutatta. Noha az Anammox-N-Damo interakció ígéretet mutatott, továbbra is kihívás, hogy a laboratóriumi alkalmazásoktól a nagyszabású alkalmazásokig terjesszük. A jövőbeli kutatások az anaerob-damo folyamat optimalizálására összpontosítanak a nitrogén eltávolítás hatékonyságának javítása és a folyamat alacsonyabb hőmérsékleten történő tesztelése, a tömegátvitel és a diffúziós problémák kezelése, valamint a kísérleti tesztek elvégzésének tényleges szennyvíz felhasználásával.

Az innovatív nitrogén eltávolítása a szennyvízből az Anammox-mikrobiális interakciók felhasználásával új megközelítést kínál az AMAMMOX megvalósításában és a hagyományos PN\/A rendszerekben fennmaradó kihívások kezelésére. Az AOA ellenálló képessége a környezeti ingadozásokkal, valamint az oxigén és az NH 4+ iránti nagy affinitása, valamint a Comammox baktériumok két nitrifikációs lépés végrehajtására való képessége, ígéretes alternatívákat kínál az AOB -nak a PN\/a. Az AOA lassú növekedési üteme és a COMAMMOX kihívásai azonban a biofilm képződésében rávilágítanak olyan belső korlátozásokra, amelyeket a feltörekvő kutatások még nem lehet legyőzni. Ezenkívül annak ellenére, hogy az Anammox és az N-Damo mikroorganizmusok közötti szimbiotikus kölcsönhatások laboratóriumi skálán ígérnek, ezeknek az interakcióknak a teljes körű alkalmazásokra történő méretezése továbbra is jelentős kihívást jelent, és kiemeli a további kutatások szükségességét, hogy optimalizálják ezen folyamatok optimalizálása a valós alkalmazásokhoz.

Ezek a tanulmányok azt sugallják, hogy ezeknek a mikrobiális folyamatoknak az integrálása az Anammox megvalósításának néhány lehetséges problémájának kezelésére képes, ám ezek nem oldják meg ezeket a kihívásokat. Ezenkívül ezen innovációk integrálása további kihívásokat jelent, amelyekkel foglalkozni kell. Ennek ellenére értéket képviselnek a hagyományos módszereken túlmutató több kutatási megközelítés feltárása, mivel ez az út az új felfedezések, megoldások és alkalmazások létrehozásához. Ezenkívül ezek a tanulmányok jelentősen hozzájárultak az Anammox baktériumokat körülvevő komplex mikrobiális dinamikák megértéséhez, amely kritikus jelentőségű a meglévő és az új szennyvízkezelő egységek javításához. Noha ezen új interakciók alkalmazása a belátható jövőben nem biztosíthat teljes megoldást a meglévő szűk keresztmetszetekre, rávilágít arra, hogy a jövőbeni kutatásokat a laboratóriumi sikerek gyakorlati, skálázható megoldásokra történő fordítására kell összpontosítani az önkormányzati szennyvízkezelésre.