Нові біотехнологічні застосування Anammox

• Взаємодія бактерій анаммоксу та окислення аміаку, археа, повні бактерії, що окислюють аміак, та нітрити\/нітрити, залежні від анаеробних метанів, окислюючих мікроорганізмів, забезпечують новий підхід до подачі нітриту бактерій анаммокс для видалення азоту від стічних наконечників з низьким нами нанамонію.
• Успіхи в галузі матеріалів показали, що взаємодія між бактеріями Anammox та вуглецевими матеріалами, такими як оксид графену, зернистий активований вуглець, біогаз та різні форми заліза, можуть посилити активність анаммоксу та видалення азоту.
• Відкриття можливостей позаклітинного електронного перенесення бактерій анаммоксу говорить про те, що це перспективний енергоефективний підхід до видалення азоту з одночасним відновленням енергії.
• Внутрішня адаптація бактерій морських анаммок до фізіологічних умов робить їх ключовим інструментом для лікування сольових стічних вод.

Анаеробне окислення амонію (ANAMMOX)-це енергоефективний метод видалення азоту, а дослідження ANAMMOX за останнє десятиліття зосереджувались головним чином на його застосуванні у домашніх стічних водах. Однак нові дослідження розширюють його застосування до нових біотехнологічних застосувань та процесів очищення стічних вод.

Бактерії Anammox можуть безпосередньо анаеробно окислювати амонію (NH 4+) до азоту азоту (N2) з використанням нітриту (ні 2-) як електронного акцептора. На сьогоднішній день процес ANAMMOX вважався більш енергоефективним та екологічно чистим методом денітрифікації порівняно з традиційним процесом нітрифікації\/денітрифікації енергетики. Використання ANAMMOX для очищення стічних вод пропонує значні переваги, включаючи на 60% зниження споживання енергії, повне усунення зовнішніх додавання вуглецю та зменшення на 80% виробництва перевищення мулу, що робить процес Anammox ключовим компонентом у досягненні енергонейтальної або навіть енергозапитивної обробки стічних вод. Anammox широко використовується в повномасштабних установах для промислового та бічного очищення стічних вод. Крім того, повідомлялося про три успішні повномасштабні мейнстрімічні амонієві рослини в Strass (Австрія), Чангі (Сінгапур) та Сіань (Китай). Закладний об'єкт повідомляє про доповнення основного мулу з гранулами Anammox в реакторі. Реактор працює в рамках періодичної аерації для контролю бактерій окислення нітритів (NOB). Крім того, об'єкт Changi використовує флокулентний мул, багатий анаммокс у поєднанні з ступінчастими та чергуванням аеробних та аноксичних умов для придушення Ноба. Заклад Xi'an використовує носії біоплівки для зберігання повільно зростаючих бактерій в аноксичних резервуарах. Реактори працюють з переривчастою аерацією для отримання розчинених градієнтів кисню для виробництва нітриту. Зокрема, хоча споруда Чангі та Сіань спочатку не була розроблена для Anammox, вони свідчать про те, що повномасштабний мейнстрім Anammox також може бути реалізований в поточній інфраструктурі очищення стічних вод. Ці установки підкреслюють потенціал основної часткової нітритації\/анаммоксу (PN\/A). Крім того, очищення від стічних вод з використанням анаеробної органічної речовини (фаза А) та PN\/A (фаза В) успішно продемонстровано на лабораторних та пілотних шкалах, що відзначає крок до очищення енергетичних нейтральних вод.

Незважаючи на успішну демонстрацію мейнстріму PN\/A, є кілька викликів у широкому впровадженні Anammox при обробці основного пострілу, включаючи необхідність стабільної продукції NO 2-, знижуючи продуктивність при низьких температурах та низьких концентраціях NH 4+, і необхідність пригнічення активності Ноба. Дослідження за останнє десятиліття було спрямовано на вирішення цих обмежень для повного використання Anammox для лікування домашніх стічних вод. Було досягнуто значного прогресу в досягненні стабільного ПН, підвищення продуктивності при низьких температурах та низьких концентраціях амонію, контролю NOB та працює при широкому діапазоні співвідношень вуглецю до азоту (C: N). Крім того, останні досягнення змінили сприйняття повільного подвоєння бактерій Anammox, що більше не розглядається як бар'єр для впровадження технології. Дослідження показали, що, залежно від виду, швидкі часи подвоєння є внутрішньою кінетичною властивістю бактерій Anammox. Крім того, зростаюча різноманітність видів анаммоксу та досягнення методів культури показала, що ці бактерії можуть рости швидше, ніж очікувалося, що дозволяє широко застосовуватися технологією незалежно від їх росту.

While efforts are being made to address the traditional challenges and bottlenecks of anammox applications in mainstream settings, recent research has also focused on innovative approaches to address these challenges, such as anammox-microbial interactions for innovative nitrogen removal from wastewater, interactions of anammox bacteria with materials to improve performance, iron supplementation in anammox wastewater treatment systems, and bioelectrochemical ammonium treatment with Бактерії анамммоксу. Це дослідження проводиться під час вивчення нових біотехнологічних застосувань, таких як видалення аміаку з сольової стічної води з використанням морських бактерій Anammox (MAB).

Бактерії Anammox існують у складній екологічній мережі, де вони взаємодіють з різноманітними іншими мікробними популяціями в природних умовах, системах очищення стічних вод та культурами збагачення. Зважаючи на те, що Anammox став ключовим процесом для денітрифікації стічних вод, розуміння цих складних мікробних взаємодій не лише збагачує наше розуміння мікробного циклу азоту, але й є важливим для розробки технологій лікування стічних вод наступного покоління. Як правило, в одноетапній системі PN\/A бактерії Anammox співіснують з бактеріями, що окислюють аміак (AOB) у частинках, утворюючи симпрофічну взаємозв'язок, тим самим досягаючи більш ефективної денітрифікації. AOB частково окислює NH 4+ до NO2−, а генерований NO2− служить акцептором електронів для бактерій Anammox, окислюючи NH 4+ і виробляючи N2. Переваги одноступеневої системи PN\/A.

Взаємодія бактерій Anammox та (a) бактерії окислення аміаку (AOB) та окислюючі бактерії нітритів (NOB), (b) аміак окислююча архея (AOA), (c) повна бактерія аміаку (Comammox) та (d) мітрат\/нітрих-залежність від нітриг-залежності від нітриг-залежності.

Незважаючи на те, що одноетапна система PN\/A має переваги перед двоступеневою системою, менша температура, яка впливає на активність виробництва AOB та Anammox, а також підтримує стабільну продукцію NO 2-, створює проблеми для експлуатації біореакторів та впровадження процесів Anammox при лікуванні муніципальних страйків. Крім того, залежна від кисню природа ПН додає шару складності до реакції реактора. Неадекватне подача кисню може обмежити окислення NH 4+ до ні 2-, тим самим впливаючи на видалення NH 4+ Bacteria Anammox. І навпаки, надмірна аерація може призвести до надлишку вироблення NO2, що інгібує бактерії Anammox та стимулює Ноб. Це виробляє стоки, багаті нітратами (NO3–) та NOB, які перевершують бактерії Anammox. Накопичення NO3–, чи то з притаманної метаболічної активності бактерій Anammox, чи Ноб, може знизити загальну якість стоків. Тому необхідно розробити більш ефективні та стабільні методи, щоб подати 2- до Anammox.

З'єднання анаммоксу з аміаком-окислюючим археєм (AOA)-це нова область досліджень, яка обіцяє забезпечити більш надійну та ефективну систему лікування порівняно з традиційним PN\/A з AOB. AOA - це домінуюча гілка філотрофного середовища Thaumarchaeota, що знаходиться в різних оліготрофних середовищах, таких як мінімальні зони кисню (OMZ). Порівняно з AOB, AOA має більш високу стійкість до коливань температури навколишнього середовища і має значно більшу спорідненість до кисню та NH 4+. Висока спорідненість AOA до NH 4+ і кисень дозволяє йому ефективно працювати в середовищах з низькими концентраціями субстрату. Ці властивості можуть зробити AOA придатними для поєднання з Anammox для очищення домашніх стічних вод, що часто коливається умови експлуатації, такі як зміни температури та низькі концентрації амонію. Моделі біоплівки дозволяють припустити, що AOA може забезпечити більш стабільне джерело NO 2-, ніж AOB при нижчих концентраціях аміаку.

Хоча ці дослідження дають багатообіцяючі уявлення про потенціал систем AOA-Anammox, оптимізація цього мікробного партнерства у більш масштабних додатках залишається проблемою. Крім того, AOA перешкоджає їх повільному темпу росту та поганою здатністю формувати біоплівки, що робить їх менш придатними для реальних застосувань, де швидка мікробна активність та стабільна утворення біоплівки є критичними. На відміну від цього, повні бактерії окислювальних бактерій аміаку (Comammox) пропонують більш ефективну альтернативу. Порівняно з AOA, бактерії Comammox не тільки виявляють більш високі темпи росту, але й мають більш широку спорідненість субстрату і пропонують можливість росту в біоплівках, поєднаних з Anammox. Bacteria Comammox - це підмножина роду Nitrospira з унікальною здатністю виконувати обидва етапи нітрифікації і може окислювати NH 4+ до NO2– та далі до NO3– в одному організмі. Дослідження повідомили про співіснування та співпрацю бактерій Comammox та Anammox під час денітрифікації в лабораторних та масштабних системах очищення стічних вод. Однак ці системи спочатку не були розроблені для того, щоб конкретно збагатити спільноти Anammox-Comammox. Розробка та встановлення синтетичних спільнот є більш складним, і менша кількість досліджень намагалася інженер або збагатити для таких взаємодій. Дослідження Готшалла та його колег встановило синтетичні спільноти Anammox-Comammox в інкапсульованих гідрогелевих намистинах. У цих намистинах бактерії Comammox займали аеробну зовнішню зону, тоді як бактерії Anammox проживали в аноксичному шарі внизу. Ця взаємодія та просторове розташування призвели до майже повного видалення азоту та значно зменшило утворення NO3 - ключовою особливістю очищення стічних вод, де NO3 - є небажаним побічним продуктом. Низька концентрація NO3 у стічних водах може бути зумовлена ​​дисиміляційною активністю аміаку (DNRA) дисиміляційних бактерій та\/або гетеротрофних денітрифікаторів Anammox та\/або гетеротрофних денітрифікацій.

В іншому дослідженні було створено спільноту Comammox-Anammox за допомогою Nitrospira inopinata та Anammox, які були спільно залучені з вуглецем у гідрогелі. Ця нова конфігурація реактора використовувала променичне нагрівання вуглецю, корапсульованого з організмами, щоб досягти майже повного NH 4+}} видалення при низьких температурах (тобто 4 градусів) при лікуванні синтетичних та фактичних первинних стоків від маніципальних установок, що обробляють стічні води.

Спираючись на ці висновки, подальші дослідження підкреслили, що високі концентрації NH 4+ та низькі кисневі є одними з найбільш релевантних параметрів для сприяння збагаченню та синергетичній дії факультативних та анаеробних бактерій для досягнення основної денітрифікації стічних вод. Майбутні дослідження повинні зосередитись на розробці зернистих форматів, придатних для секвенування пакетних реакторів (SBRS), і його потрібно перевірити в практичних умовах та в масштабних системах очищення стічних вод. Грінульовані системи по суті збільшують швидкість масової передачі завдяки підвищеній площі поверхні та оптимізованій динаміці потоку, що є важливою для ефективної дифузії субстрату та кисню в біоплівку. Крім того, ці системи мають більш високе утримання біомаси, стабільніші мікробні спільноти та вимоги до об'єму реактора значно зменшуються завдяки компактності зернистих систем. Грінульовані системи Comammox-Anammox також є більш толерантними до коливань концентрацій субстрату та умовам навколишнього середовища. Враховуючи ці переваги, розвиток зернистих систем Comammox-Anammox може бути головним прогресом у практичній реалізації цієї взаємодії. Кінцева мета-використовувати мікроаерофільність взаємодії A. microbiophilum-Anammox для економії енергії аерації та максимізації використання цього мікробного партнерства для ефективного видалення азоту.

Симбіотична взаємодія між анаммоксами та нітритом\/нітритом анаеробних мікроорганізмів окислювальних метану (N-DAMO) забезпечує унікальний та екологічно стійкий підхід для одночасного видалення анаеробного азоту та метану (СН4) у системах лікування стічних водах. Мікробна спільнота, що бере участь у процесі N-DAMO, включає бактеріальну групу з Phylum NC10 (тобто Candidatus methylomirabilis) та археальної групи з Phylum Euryarchaeota (тобто, кандидатури метанопредендери). Бактерії N-Damo здатні зменшити NO 2- до N2, тоді як N-Damo Archaea зменшує ні 3- до ні 2-, обидва використовують CH4 як донор електронів. Поєднання Anammox з процесом N-DAMO дозволяє одночасно анаеробічне видалення розчиненого CH4, NH 4+, ні 2-, і ні 3- від стічних вод. Нещодавні досягнення продемонстрували синергетичне з'єднання анаеробних та DAMO процесів у конфігураціях біореакторів, таких як реактори мембранної біоплівки (MBFRS) та реактори біоплівки руху (MBBRS) у поєднанні з порожнистими волокнами. Ці конфігурації реактора дозволяють ефективно утримувати біомасу та доставку CH4 через мембрани та порожнисті волокна, таким чином встановлюючи оптимальне мікросередовище для організмів Anammox та DAMO.

Однак, незважаючи на переваги конфігурацій на основі мембран, існують проблеми з впровадженням їх у більш масштабних системах. Висока площа поверхні мембрани необхідна для збереження повільно зростаючих мікроорганізмів, що значно збільшує інвестиційні витрати. Крім того, потрібно приблизно 1-3 років, щоб N-DAMO та Anaerobic Bacteria утворювали біоплівку, що значно збільшує час запуску. Розробка детальних DAMO забезпечує нові варіанти для більш ефективних конфігурацій реактора, тим самим зробивши крок до практичного застосування. Дослідження показало, що використання зрілих анаеробних гранул як біокар'єри прискорило утворення гранул N-Damo. Це особливо важливо, оскільки в попередніх дослідженнях знадобилося більше року, щоб отримати гранули N-DAMO від зважених флоків. Грінульована система DAMO-ANAMMOX також показала більш високу швидкість передачі маси, більш високе утримання біомаси, значне зниження вимог до об'єму реактора та більша толерантність до коливань концентрації корму та умови експлуатації, таких як швидкість завантаження азоту та температура. Незважаючи на те, що взаємодія Anammox-n-Damo виявила обіцянку, залишається завданням розширити його від лабораторних застосувань до масштабних застосувань. Майбутні дослідження будуть зосереджені на оптимізації процесу анаеробного-дамо для підвищення ефективності видалення азоту та тестування процесу при менших температурах, вирішення питань передачі масового та дифузії та проведення пілотних тестів за допомогою фактичних стічних вод.

Інноваційне видалення азоту з стічних вод за допомогою взаємодій Anammox-Microbial пропонує новий підхід до вирішення проблем, які зберігаються в впровадженні Anammox та традиційних системах PN\/A. Стійкість AOA до коливань навколишнього середовища та його високу спорідненість до кисню та NH 4+, а також здатність бактерій Comammox виконувати два кроки нітрифікації, пропонують перспективні чергування AOB для PN\/A. Однак повільний темп зростання AOA та виклики Comammox у формуванні біоплівки підкреслюють внутрішні обмеження, які ще не мають подолати, виникаючих досліджень. Крім того, незважаючи на обіцянку симбіотичних взаємодій між мікроорганізмами ANAMMOX та N-DAMO в лабораторних масштабах, масштабування цих взаємодій для повномасштабних додатків залишається суттєвою проблемою та підкреслює необхідність подальших досліджень для оптимізації цих процесів для реальних застосувань.

Ці дослідження свідчать про те, що інтеграція цих мікробних процесів може вирішити деякі потенційні проблеми з впровадженням Anammox, але вони не повністю вирішують ці проблеми. Крім того, інтеграція цих інновацій представляє додаткові проблеми, які потрібно вирішити. Тим не менш, є цінність у дослідженні декількох дослідницьких підходів поза традиційними методами, оскільки це шлях до створення нових відкриттів, рішень та додатків. Крім того, ці дослідження внесли вагомий внесок у розуміння складної мікробної динаміки, що оточують бактерії Anammox, що є критично важливим для покращення існуючих та нових одиниць очищення стічних вод. Незважаючи на те, що застосування цих нових взаємодій може не забезпечити повних рішень існуючих вузьких місць у осяжному майбутньому, воно підкреслює необхідність зосередження майбутніх досліджень на переведенні лабораторних успіхів на практичні, масштабовані рішення для муніципальних стічних вод.