U nastajanju biotehnološke primjene Anammoxa

• Interakcije između anammoksnih bakterija i arheje koji oksidira amonijak, kompletne bakterije koje oksidiraju amonijak i anaerobnog metana koji ovise o nitratu\/nitritu, pružaju novi pristup za opskrbu nitritom bakterijama anammoksa za nitrogensko uklanjanje iz nitrogena.
• Napredak u znanosti o materijalima pokazao je da interakcije između anammoksnih bakterija i ugljičnih materijala poput grafen oksida, zrnatog aktivnog ugljika, biopuhara i različitih oblika željeza mogu poboljšati aktivnost anammoksa i uklanjanje dušika.
• Otkrivanje mogućnosti izvanstaničnog prijenosa elektrona anammoks bakterija sugerira da je to obećavajući energetski učinkovit pristup uklanjanju dušika s istodobnim oporavkom energije.
• Intrinzična adaptacija bakterija morskih anammoxa u fiziološke uvjetima čini ih ključnim alatom za liječenje strujanja fizioloških otpadnih voda.

Anaerobna amonijeva oksidacija (Anammox) je energetski učinkovita metoda uklanjanja dušika, a istraživanje Anammoxa tijekom proteklog desetljeća usredotočeno je prvenstveno na njegovu primjenu u obradi domaćih otpadnih voda. Međutim, istraživanje u nastajanju proširuje svoju primjenu na nove biotehnološke primjene i procese pročišćavanja otpadnih voda.

Anammox bakterije mogu izravno anaerobno oksidirati amonij (NH 4+) do dušičnog plina (N2) koristeći nitrit (ne 2-) kao akceptor elektrona. Do danas se anammox proces smatrao energetski učinkovitijom i ekološki prihvatljivom metodom denitrifikacije u usporedbi s tradicionalnim energetski intenzivnim postupkom nitrifikacije\/denitrifikacije. Korištenje ANAMMOX-a za pročišćavanje otpadnih voda nudi značajne prednosti, uključujući smanjenje potrošnje energije od 60%, potpunu uklanjanje dodavanja vanjskog ugljika i 80% smanjenje proizvodnje viška mulja, čineći Anammox proces ključnom komponentom u postizanju energetske ili ujednačene energetsko-pozitivne obrade otpadnih voda. Anammox se široko koristi u cjelovitim objektima za tretman industrijskih i sporednih toka otpadnih voda. Pored toga, zabilježene su tri uspješne cjelovite glavne biljke Anammox amonijeva u Strassu (Austrija), Changi (Singapur) i Xi'an (Kina). U postrojenju za postrojenje izvještava o dodavanju glavnog mulja s anammoks granulama u reaktoru Sidestream. Reaktor se radi pod povremenim prozračivanjem za kontrolu nitrita koji oksidira bakterije (NOB). Pored toga, Changi objekt koristi flokulentni mulj bogat anammoxom u kombinaciji s očuhom i naizmjeničnim aerobnim i anoksičnim uvjetima za suzbijanje NOB-a. Postrojenje Xi'an koristi nosače biofilma za zadržavanje sporo rastućih bakterija u anoksičnim tenkovima. Reaktori se rade s povremenim prozračivanjem za stvaranje otopljenih gradijenata kisika za proizvodnju nitrita. Značajno je da, iako objekt Changi i Xi'an nisu prvobitno bili dizajnirani za Anammox, oni pružaju dokaze da se cjelovita glavna Anammox može primijeniti i unutar trenutne infrastrukture za pročišćavanje otpadnih voda. Ove instalacije ističu potencijal mainstream djelomične nitritacije\/anammox (PN\/A). Uz to, liječenje domaćih otpadnih voda pomoću tretmana anaerobnim organskim tvarima (faza A) i PN\/A (faza B) uspješno je dokazano na laboratorijskim i pilot ljestvicama, što je označavalo korak prema energetsko neutralnom liječenju otpadnih voda.

Unatoč uspješnoj demonstraciji glavnog PN\/A, postoji nekoliko izazova u širokoj implementaciji Anammoxa u mainstream tretmanu, uključujući potrebu za stabilnom ne 2- proizvodnjom, smanjenim performansama na niskim temperaturama i niskim koncentracijama NH 4+ i potreba za suzbijanjem NOB -a. Istraživanje u proteklom desetljeću usmjereno je na rješavanje ovih ograničenja kako bi se potpuno iskoristio Anammox za liječenje domaćih otpadnih voda. Značajan napredak postignut je u postizanju stabilnog PN -a, poboljšanju performansi pri niskim temperaturama i niskim koncentracijama amonijeva, kontroliranju NOB -a i rada u širokom rasponu omjera ugljika i dušika (C: N). Pored toga, nedavni napredak promijenio je percepciju sporog vremena udvostručenja anammoks bakterija, što se više ne promatra kao prepreka implementaciji tehnologije. Istraživanje je pokazalo da su, ovisno o vrsti, brzo vrijeme udvostručenja unutarnje kinetičko svojstvo anammoks bakterija. Nadalje, sve veća raznolikost vrsta anammoksa i napredak u kulturološkim metodama pokazalo je da te bakterije mogu rasti brže nego što se ranije očekivalo, omogućujući da se tehnologija široko primjenjuje bez obzira na njihovu stopu rasta.

Iako se ulažu napori u rješavanju tradicionalnih izazova i uskih primjena anammoks aplikacija u glavnim okruženjima, nedavna su se istraživanja također usredotočila na inovativne pristupe rješavanju ovih izazova, poput anammoks-mikrobnih interakcija za inovativno uklanjanje dušika iz otpadnih voda, interakcije Anammoxam Bacteria, s poboljšanjem na materije, na materije, na materije, na materije, aromemmmmox-a, aromoxammox-a, aromoxammox-a, aromemmox-ammoxammox-a, a istočam bakterije, aromemmmox-a, aromemmmox-a, a imovine, a inammoks bakterije, a inammoxs bakterije, a imovine, a imovine, a imovine su nadoknađene materije, aromemoxammox-a, u, aromoksima, amoksima, u ironim proizvodima. Liječenje anammoks bakterijama. Ovo se istraživanje provodi tijekom istraživanja novih biotehnoloških primjena, poput uklanjanja amonijaka iz fiziološke otpadne vode pomoću bakterija morskih anammoxa (MAB).

Anammoks bakterije postoje u složenoj ekološkoj mreži u kojoj komuniciraju s raznim drugim mikrobnim populacijama u prirodnom okruženju, sustavima pročišćavanja otpadnih voda i kultura obogaćivanja. S obzirom na to da se Anammox pojavio kao ključni proces denitrifikacije otpadnih voda, razumijevanje ovih složenih mikrobnih interakcija ne samo da obogaćuje naše razumijevanje ciklusa mikroba dušika, već je ključno i za razvoj tehnologija obrade otpadnih voda sljedeće generacije. Obično, u jednostepenom PN\/A sustavu, anammoks bakterije koegzistiraju s amonijakom oksidirajućim bakterijama (AOB) u česticama kako bi se stvorio sitrofični odnos, postižući na taj način učinkovitiju denitrifikaciju. AOB djelomično oksidira NH 4+ na NO2−, a generirani NO2 - služi kao akceptor elektrona za anammoks bakterije, oksidirajući NH 4+ i proizvodeći N2. Prednosti jednostepenog PN\/A sustava.

Interakcije između anammoksnih bakterija i (a) amonijaka oksidirajući bakterije (AOB) i nitrita koji oksidiraju bakterije (NOB), (b) amonijak oksidira arheju (AOA), (c) kompletan amonijak oksidira (commommox) i (di) nit-nitrit-nitrubin-depuntan-nitrit-nitrubin-nitrubin-nitrubin-nitsim-depuntan

Iako jednostepeni PN\/A sustav ima prednosti u odnosu na dvostupanjski sustav, niža temperatura koja utječe na aktivnost AOB-a i Anammoxa, kao i održavanje stabilne proizvodnje bez proizvodnje 2-, predstavlja izazove za djelovanje bioreaktora i primjenu procesa anammoksa u općinskom tretmanu. Uz to, priroda PN ovisna o kisiku dodaje sloj složenosti za rad reaktora. Neadekvatna opskrba kisikom može ograničiti oksidaciju NH 4+ na ne 2-, čime utječe na uklanjanje NH 4+ od anammoks bakterija. Suprotno tome, prekomjerna analiza može dovesti do viška proizvodnje NO2, što inhibira anammoks bakterije i stimulira NOB. To proizvodi otpadne otpadne voda bogate nitratom (NO3–) i NOB -om, što je rezultiralo bakterijama anammoksa. Akumulacija NO3 - bilo iz inherentne metaboličke aktivnosti anammoksnih bakterija ili NOB -a, može umanjiti ukupnu kvalitetu otpadnih voda. Stoga je potrebno razviti učinkovitije i stabilnije metode za isporuku {2- na Anammox.

Spajanje anammoxa s amonijakom koji oksidira Archaea (AOA) novo je područje istraživanja koje obećava pružiti robusniji i učinkovitiji sustav liječenja u usporedbi s tradicionalnim PN\/A s AOB-om. AOA je dominantna grana Thaumarchaeota phyluma koji se nalazi u različitim oligotrofnim okruženjima, poput minimalnih zona kisika (OMZS). U usporedbi s AOB -om, AOA ima veću otpornost na fluktuacije ambijentalne temperature i ima značajno veći afinitet prema kisiku i NH 4+. AOA -in visoki afinitet za NH 4+ i kisik omogućuje mu učinkovito djelovanje u okruženjima s niskim koncentracijama supstrata. Ova svojstva mogu učiniti AOA prikladnom za kombinaciju s anammoxom za obradu domaćih otpadnih voda, koji često imaju fluktuirajuće radne uvjete poput temperaturnih promjena i niskih koncentracija amonijeva. Modeli biofilma sugeriraju da AOA može pružiti stabilniji izvor NO 2- od AOB -a u nižim koncentracijama amonijaka.

Iako ove studije pružaju obećavajući uvid u potencijal AOA-anammox sustava, optimiziranje ovog mikrobnog partnerstva u većim aplikacijama ostaje izazov. Osim toga, AOA je ometana njihovom sporom stopom rasta i lošom sposobnošću da formiraju biofilmove, što ih čini manje prikladnim za aplikacije u stvarnom životu gdje su brza mikrobna aktivnost i stabilno stvaranje biofilma kritični. Suprotno tome, kompletne bakterije koje oksidiraju amonijak (crammox) nude učinkovitiju alternativu. U usporedbi s AOA -om, bakterije Corammoxa ne samo da pokazuju veće stope rasta, već i imaju širi afinitet supstrata i nude mogućnost rasta biofilma spojenih na Anammox. Corammox bakterije su podskup roda Nitrospira s jedinstvenom sposobnošću da izvodi oba koraka nitrifikacije i može oksidirati NH 4+ do NO2 - i dalje do NO3 - u jednom organizmu. Studije su izvijestile o suživot i suradnju bakterija ComAMMOX-a i Anammoxa tijekom denitrifikacije u laboratorijskim i velikim sustavima za pročišćavanje otpadnih voda. Međutim, ti sustavi u početku nisu dizajnirani tako da posebno obogaćuju zajednice Anammox-Comammox. Dizajn i uspostavljanje sintetičkih zajednica je izazovniji, a manje studija pokušalo je inženjerirati ili obogatiti takve interakcije. Studija Gottshall-a i njegovih kolega utvrdila je sintetičke zajednice anammox-ammoxox unutar inkapsuliranih hidrogelnih zrnca. U tim zrncama bakterije crammox zauzimale su aerobnu vanjsku zonu, dok su anammoks bakterije boravile u anoksičnom sloju ispod. Ova interakcija i prostorni raspored rezultirali su gotovo potpunim uklanjanjem dušika i značajno smanjili formiranje NO3, što je ključno obilježje pročišćavanja otpadnih voda, gdje je NO3 - neželjeni nusproizvod. Niska koncentracija NO3-otpadne vode može biti posljedica disimilacijske aktivnosti amonijaka za smanjenje nitrata (DNRA) anammoksnih bakterija i\/ili heterotrofnih denitrifikatora.

U drugoj studiji, uspostavljena je crammox-anammox zajednica korištenjem nitrospira inopinata i anammoxa, koji su bili ko-kapsulirani s ugljikom u hidrogelnim perlicama. Ova nova konfiguracija reaktora koristila je zračenje zagrijavanja ugljika ko-ko-koepaliranog s organizmima za postizanje gotovo potpunog uklanjanja NH 4+ na niskim temperaturama (tj. 4 stupnja) prilikom liječenja sintetičkih i stvarnih primarnih otpadnih voda iz općinskih postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda.

Na temelju ovih nalaza, daljnje studije su naglasile da su visoki NH 4+, a niska koncentracija kisika među najrelevantnijim parametrima za promicanje obogaćivanja i sinergističkog djelovanja fakultativnih i anaerobnih bakterija za postizanje denitrifikacije od glavnih voda. Buduća istraživanja trebala bi se usredotočiti na razvoj granularnih formata pogodnih za sekvenciranje reaktora šarže (SBR) i potrebno ih je testirati u praktičnim uvjetima i u sustavima za pročišćavanje otpadnih voda većih razmjera. Granularni sustavi inherentno povećavaju brzinu prijenosa mase zbog povećane površine i optimizirane dinamike protoka, što je neophodno za učinkovitu difuziju supstrata i kisika u biofilm. Osim toga, ovi sustavi imaju veće zadržavanje biomase, stabilnije mikrobne zajednice, a zahtjevi za volumenom reaktora znatno su smanjeni zbog kompaktnosti zrnatih sustava. Granulirani sustavi za anamoks također su tolerantniji na fluktuacije u koncentracijama supstrata i okolišnim uvjetima. Uzimajući u obzir ove prednosti, razvoj granuliranih sustava koji bi mogao biti glavni napredak u praktičnoj provedbi ove interakcije. Krajnji je cilj iskoristiti mikroaerofilnost interakcije A. mikrobiophilum-anammoks kako bi se uštedjeli energetski prozrači i maksimizirali uporabu ovog mikrobnog partnerstva za učinkovito uklanjanje dušika.

Simbiotska interakcija između mikroorganizama anamoksa i nitrata\/nitrita ovisnog o oksidiranju anaerobnog metana (N-DAMO) pruža jedinstven i ekološki održiv pristup za istodobno uklanjanje anaerobnih dušika i metana (CH4) u sustavima za pročišćavanje otpadnih voda. Mikrobna zajednica uključena u proces N-DAMO uključuje bakterijsku skupinu iz Phylum NC10 (tj. Candidatus metilomirabilis) i arhealnu skupinu iz Phylum Euryarchaeota (tj. Candidatus metanopededens). N-DAMO bakterije mogu smanjiti ne 2- na n2, dok N-DAMO Archaea ne smanjuje 3- na ne 2-, oba koristeći CH4 kao davatelj elektrona. Kombinacija anammoxa s N-DAMO postupkom omogućava istodobno anaerobno uklanjanje otopljenog CH4, nh 4+, ne 2-, a ne 3- iz otpadnih voda. Nedavni napredak pokazao je sinergističko spajanje anaerobnih i Damo procesa u konfiguracijama bioreaktora, kao što su reaktori biofilma membrane (MBFR) i pokretni reaktori biofilma (MBBR) zajedno sa šupljim vlaknima. Ove konfiguracije reaktora omogućuju učinkovito zadržavanje biomase i isporuku CH4 putem membrane i šupljih vlakana, čime se uspostavlja optimalno mikrookolje za organizame Anammox i Damo.

Međutim, unatoč prednostima konfiguracija temeljenih na membrani, postoje izazovi u njihovom implementaciji u sustavima većih razmjera. Visoka površina membrane potrebna je za zadržavanje sporo rastućih mikroorganizama, što značajno povećava troškove ulaganja. Pored toga, potrebno je otprilike 1-3 godina da n-damo i anaerobne bakterije formiraju biofilm, što značajno povećava vrijeme pokretanja. Razvoj granularnog Damo -a pruža nove mogućnosti za učinkovitije konfiguracije reaktora, čime je korak prema praktičnoj primjeni. Studija je pokazala da je uporaba zrelih anaerobnih granula kao biokarera ubrzala formiranje granula N-damo. To je posebno važno jer je u prethodnim studijama bilo potrebno više od godinu dana da bi se N-DAMO granule dobili od suspendiranih floka. Granulirani DAMammox sustav također je pokazao veće brzine prijenosa mase, veće zadržavanje biomase, značajno smanjenje potreba za volumenom reaktora i veću toleranciju na fluktuacije u koncentraciji dovoda i radnih uvjeta kao što su brzina opterećenja dušikom i temperatura. Iako je interakcija ANAMMOX-N-DAMO pokazala obećanje, ostaje izazov proširiti je od laboratorijskih aplikacija na velike aplikacije. Buduća istraživanja usredotočit će se na optimizaciju procesa anaerobnog damo radi poboljšanja učinkovitosti uklanjanja dušika i ispitivanja procesa na nižim temperaturama, rješavanju problema s prijenosom i difuzijom mase i provođenju pilot testova koristeći stvarne otpadne vode.

Inovativno uklanjanje dušika iz otpadnih voda pomoću anammox-mikrobnih interakcija nudi novi pristup za rješavanje izazova koji traju u implementaciji Anammoxa i tradicionalnim PN\/A sustavima. Otpornost AOA na fluktuacije okoliša i njegov visoki afinitet prema kisiku i NH 4+, zajedno sa sposobnošću bakterija Corammoxa da izvede dva koraka nitrifikacije, nude obećavajuće alternative AOB -u za PN\/A. Međutim, stopa sporog rasta AOA -e i izazovi Corammoxa u stvaranju biofilma ističu unutarnja ograničenja koja su tek trebala biti prevladana istraživanjima u nastajanju. Nadalje, usprkos obećanjima o simbiotskim interakcijama između Anammoxa i N-DAMO mikroorganizama na laboratorijskoj ljestvici, skaliranje ovih interakcija na aplikacije u punoj razmjeri ostaje značajan izazov i naglašava potrebu za daljnjim istraživanjima kako bi se ovi procesi optimizirali za aplikacije u stvarnom svijetu.

Ove studije sugeriraju da integriranje ovih mikrobnih procesa može se pozabaviti nekim potencijalnim problemima s primjenom anammoxa, ali one ne rješavaju u potpunosti te izazove. Nadalje, integracija ovih inovacija predstavlja dodatne izazove koje je potrebno riješiti. Unatoč tome, postoji vrijednost u istraživanju višestrukih istraživačkih pristupa izvan tradicionalnih metoda, jer je to put stvaranja novih otkrića, rješenja i aplikacija. Nadalje, ove su studije dale značajan doprinos razumijevanju složene mikrobne dinamike oko anammoks bakterija, što je presudno za poboljšanje postojećih i novih jedinica za pročišćavanje otpadnih voda. Iako primjena ovih novih interakcija možda neće pružiti cjelovita rješenja za postojeća uska grla u doglednoj budućnosti, ona ističe potrebu da se buduća istraživanja usredotoče na prevođenje laboratorijskih uspjeha u praktična, skalabilna rješenja za općinsku obradu otpadnih voda.