Applikazzjonijiet bijoteknoloġiċi emerġenti ta 'anammox

• L-interazzjonijiet bejn il-batterji anammox u l-archaea li jossidaw l-ammonja, batterji kompluti li jossidizzaw l-ammonja, u mikroorganiżmi ta 'ossidazzjoni tal-metan anerobiċi li jiddependu min-nitrat \/ nitrit jipprovdu approċċ ġdid għall-provvista ta' nitrit għal batterji anammox għat-tneħħija tan-nitroġenu mill-ilma ta 'l-ammonju baxx.
• L-avvanzi fix-xjenza tal-materjali wrew li l-interazzjonijiet bejn batterji anammox u materjali tal-karbonju bħal ossidu tal-grafena, karbonju attivat granulari, bijokarbu, u diversi forom ta 'ħadid jistgħu jtejbu l-attività anammox u t-tneħħija tan-nitroġenu.
• L-iskoperta ta 'kapaċitajiet ta' trasferiment ta 'elettroni extraċellulari ta' batterji anammox tissuġġerixxi li dan huwa approċċ promettenti effiċjenti fl-enerġija għat-tneħħija tan-nitroġenu bl-irkupru tal-enerġija simultanju.
• L-adattament intrinsiku tal-batterja anammox tal-baħar għall-kundizzjonijiet tal-melħ jagħmilhom għodda ewlenija għat-trattament tal-flussi tad-drenaġġ tal-melħ.

L-ossidazzjoni tal-ammonju anerobiku (Anammox) hija metodu ta 'tneħħija tan-nitroġenu effiċjenti fl-enerġija, u r-riċerka fuq Anammox matul l-aħħar għaxar snin iffokat primarjament fuq l-applikazzjoni tagħha fit-trattament tad-drenaġġ domestiku. Madankollu, riċerka emerġenti qed tespandi l-applikazzjoni tagħha għal applikazzjonijiet bijoteknoloġiċi ġodda u proċessi ta 'trattament tad-drenaġġ.

Batterji Anammox jista 'jossida b'mod anerobiku l-ammonju (NH 4+) għal gass tan-nitroġenu (n2) billi juża nitrite (l-ebda 2-) bħala aċċettatur ta' l-elettroni. Sal-lum, il-proċess Anammox ġie meqjus bħala metodu ta 'denitrifikazzjoni aktar effiċjenti fl-enerġija u favur l-ambjent meta mqabbel mal-proċess tradizzjonali ta' nitrifikazzjoni \/ denitrifikazzjoni intensiva fl-enerġija. L-użu ta 'Anammox għat-trattament tad-drenaġġ joffri vantaġġi sinifikanti, inkluż tnaqqis ta '60% fil-konsum tal-enerġija, eliminazzjoni sħiħa ta' żidiet esterni tal-karbonju, u tnaqqis ta '80% fil-produzzjoni ta' ħama żejda, u jagħmel il-proċess ta 'Anammox bħala komponent ewlieni fil-kisba ta' trattament ta 'drenaġġ newtrali jew saħansitra pożittivi għall-enerġija. Anammox intuża ħafna f'faċilitajiet fuq skala sħiħa għat-trattament tad-drenaġġ industrijali u ta 'Sidestream. Barra minn hekk, tliet pjanti ta 'l-ammonju anammox mainstream fuq skala sħiħa ta' suċċess ġew irrappurtati fi Strass (l-Awstrija), Changi (Singapor), u Xi'an (iċ-Ċina). Il-Faċilità Strass tirrapporta s-supplimentazzjoni ta 'ħama mainstream bi granuli anammox fir-reattur Sidestream. Ir-reattur jitħaddem taħt arjazzjoni intermittenti biex jikkontrolla l-batterji ossidanti tan-nitrit (NOB). Barra minn hekk, il-faċilità Changi tuża ħama flokculenti b'ħafna anammox flimkien ma 'tmigħ tat-triq u kondizzjonijiet aerobiċi u anossiċi li jalternaw biex irażżnu NOB. Il-faċilità Xi'an tuża trasportaturi tal-bijofilm biex iżżomm batterji li qed jikbru bil-mod fit-tankijiet anossiċi. Ir-reatturi huma mħaddma bl-arjazzjoni intermittenti biex jiġġeneraw gradjenti ta 'ossiġnu maħlul għall-produzzjoni tan-nitrite. Notevolment, għalkemm il-faċilitajiet ta 'Changi u Xi'an ma kinux oriġinarjament iddisinjati għal Anammox, huma jipprovdu evidenza li Anammox mainstream fuq skala sħiħa tista' wkoll tiġi implimentata fl-infrastruttura attwali tal-faċilità ta 'trattament tad-drenaġġ. Dawn l-installazzjonijiet jenfasizzaw il-potenzjal ta 'nitritazzjoni parzjali \/ anammox mainstream (PN \/ A). Barra minn hekk, it-trattament domestiku tad-drenaġġ bl-użu ta 'trattament ta' materja organika anerobika (fażi A) u PN \/ A (fażi B) intwera b'suċċess fuq skali tal-laboratorju u pilota, li jimmarka pass lejn it-trattament tad-drenaġġ newtrali għall-enerġija.

Minkejja d-dimostrazzjoni b'suċċess ta 'PN \/ A mainstream, hemm diversi sfidi għall-implimentazzjoni mifruxa ta' anammox fit-trattament mainstream, inkluża l-ħtieġa għal produzzjoni stabbli NO 2-, tnaqqis fil-prestazzjoni f'temperaturi baxxi u konċentrazzjonijiet baxxi ta 'NH 4+, u l-ħtieġa li jrażżnu l-attività NOB. Ir-riċerka matul l-aħħar għaxar snin ġiet diretta lejn l-indirizzar ta 'dawn il-limitazzjonijiet biex tisfrutta bis-sħiħ Anammox għat-trattament tad-drenaġġ domestiku. Sar progress sinifikanti fil-kisba ta 'PN stabbli, it-titjib tal-prestazzjoni f'temperaturi baxxi u konċentrazzjonijiet baxxi ta' l-ammonju, li jikkontrollaw NOB, u joperaw f'firxa wiesgħa ta 'proporzjonijiet ta' karbonju għal nitroġenu (C: N). Barra minn hekk, avvanzi riċenti biddlu l-perċezzjoni tal-ħin tal-irduppjar bil-mod tal-batterji Anammox, li m'għadux meqjus bħala ostaklu għall-implimentazzjoni tat-teknoloġija. Ir-riċerka wriet li, skont l-ispeċi, il-ħinijiet ta 'rduppjar rapidi huma proprjetà kinetika intrinsika ta' batterji anammox. Barra minn hekk, id-diversità dejjem tiżdied ta 'speċi anammox u avvanzi fil-metodi tal-kultura wrew li dawn il-batterji jistgħu jikbru aktar malajr milli kien mistenni qabel, li jippermetti li t-teknoloġija tiġi applikata b'mod wiesa' irrispettivament mir-rata ta 'tkabbir tagħhom.

Filwaqt li qed isiru sforzi biex jiġu indirizzati l-isfidi tradizzjonali u l-konġestjonijiet ta 'applikazzjonijiet Anammox f'ambjenti mainstream, riċerka riċenti ffokat ukoll fuq approċċi innovattivi biex jindirizzaw dawn l-isfidi, bħalma huma l-interazzjonijiet anammox-mikrobiċi għal tneħħija innovattiva tan-nitroġenu mill-ilma tad-drena Trattament ta 'l-ammonju b'batterji anammox. Din ir-riċerka qed titwettaq waqt l-esplorazzjoni ta 'applikazzjonijiet bijoteknoloġiċi ġodda, bħat-tneħħija tal-ammonja mill-ilma tad-drenaġġ tal-melħ bl-użu ta' batterji anammox tal-baħar (MAB).

Batterji Anammox jeżistu f'netwerk ekoloġiku kumpless fejn jinteraġixxu ma 'varjetà ta' popolazzjonijiet mikrobjali oħra fl-ambjent naturali, sistemi ta 'trattament tad-drenaġġ, u kulturi ta' arrikkiment. Minħabba li Anammox ħareġ bħala proċess ewlieni għad-denitrifikazzjoni tad-drenaġġ, il-fehim ta 'dawn l-interazzjonijiet mikrobjali kumplessi mhux biss jarrikkixxu l-għarfien tagħna taċ-ċikliżmu tan-nitroġenu mikrobjali iżda huwa wkoll essenzjali għall-iżvilupp ta' teknoloġiji tat-trattament tad-drenaġġ tal-ġenerazzjoni li jmiss. Tipikament, f'sistema PN \/ A fi stadju wieħed, batterji anammox jikkoeżistu mal-batterji li jossidaw l-ammonja (AOB) f'partiċelli biex jiffurmaw relazzjoni simtrofika, u b'hekk tinkiseb denitrifikazzjoni aktar effiċjenti. AOB parzjalment jossidizza NH 4+ sa NO2−, u n-NO2 iġġenerat iservi bħala aċċettatur tal-elettroni għal batterji anammox, ossidanti NH 4+ u jipproduċi N2. Vantaġġi ta 'sistema PN \/ A fi stadju wieħed.

Interazzjonijiet bejn batterji anammox u (a) batterji ossidanti tal-ammonja (AOB) u batterji ossidanti tan-nitrit (NOB), (b) Ammonja ossidanti Archaea (AOA), (c) batterji kompluti ta 'l-ammonja (comammox), u (d) nitrat \/ nitrat \/ nitrate ossidazzjoni (

Għalkemm is-sistema PN \/ A fi stadju wieħed għandu vantaġġi fuq is-sistema f'żewġ stadji, it-temperatura aktar baxxa li taffettwa l-attività ta 'AOB u Anammox, kif ukoll iżżomm il-produzzjoni stabbli NO 2-, toħloq sfidi għall-operat ta' bioreactors u l-implimentazzjoni ta 'proċessi anammox fit-trattament tal-ilma morrina. Barra minn hekk, in-natura dipendenti mill-ossiġnu tal-PN iżżid saff ta 'kumplessità għall-operazzjoni tar-reattur. Provvista inadegwata ta 'ossiġnu tista' tillimita l-ossidazzjoni ta 'NH 4+ għal NO 2-, u b'hekk taffettwa t-tneħħija ta' NH 4+ minn anammox batterji. Bil-maqlub, l-aġenziji żejda tista 'twassal għal produzzjoni eċċessiva NO2, li tinibixxi l-batterji anammox u tistimula NOB. Dan jipproduċi effluwenti sinjuri fin-nitrat (NO3–) u NOB, li jegħlbu l-batterji Anammox. L-akkumulazzjoni ta 'NO3 -, kemm jekk mill-attività metabolika inerenti ta' batterji anammox jew NOB, tista 'tnaqqas il-kwalità ġenerali ta' l-effluwent. Għalhekk, huwa meħtieġ li jiġu żviluppati metodi aktar effiċjenti u stabbli biex jiġu pprovduti l-ebda 2- lil Anammox.

L-akkoppjar ta 'Anammox ma' Archaea li jossida l-ammonja (AOA) huwa qasam emerġenti ta 'riċerka li jwiegħed li jipprovdi sistema ta' trattament aktar robusta u effiċjenti meta mqabbel ma 'PN \/ A tradizzjonali ma' AOB. AOA hija fergħa dominanti tal-phylum thaumarchaeota misjuba f'diversi ambjenti oligotrofiċi, bħal żoni minimi ta 'ossiġnu (OMZs). Meta mqabbel ma 'AOB, AOA għandu reżiljenza ogħla għal varjazzjonijiet fit-temperatura ambjentali u għandu affinità sinifikament ogħla għall-ossiġnu u NH 4+. L-affinità għolja ta 'AOA għal NH 4+ u l-ossiġenu jippermettilha topera b'mod effiċjenti f'ambjenti b'konċentrazzjonijiet baxxi ta' substrat. Dawn il-proprjetajiet jistgħu jagħmlu l-AOA adattata għal kombinazzjoni ma 'anammox għal trattament ta' drenaġġ domestiku, li ħafna drabi jkollu kundizzjonijiet operattivi li jvarjaw bħal tibdil fit-temperatura u konċentrazzjonijiet baxxi ta 'l-ammonju. Mudelli tal-bijofilm jissuġġerixxu li AOA jista 'jipprovdi sors aktar stabbli ta' NO 2- minn AOB f'konċentrazzjonijiet ta 'ammonja aktar baxxi.

Għalkemm dawn l-istudji jipprovdu għarfien promettenti dwar il-potenzjal ta 'sistemi AOA-Anammox, l-ottimizzazzjoni ta' din is-sħubija mikrobjali f'applikazzjonijiet fuq skala akbar tibqa 'sfida. Barra minn hekk, l-AOA huma mxekkla mir-rata ta 'tkabbir bil-mod tagħhom u l-kapaċità ħażina li jiffurmaw bijofilms, li jagħmluhom inqas adattati għal applikazzjonijiet tal-ħajja reali fejn attività mikrobjali rapida u formazzjoni stabbli tal-bijofilm huma kritiċi. B'kuntrast, batterji kompluti ta 'batterji ossidanti tal-ammonja (Comammox) joffru alternattiva aktar effiċjenti. Meta mqabbel ma 'AOA, il-batterji Comammox mhux biss juru rati ta' tkabbir ogħla, iżda għandhom ukoll affinità usa 'tas-substrat u joffru l-possibbiltà ta' tkabbir fil-bijofilms akkoppjati ma 'Anammox. Il-batterji Comammox huma subsett tal-ġeneru Nitrospira bl-abbiltà unika li twettaq iż-żewġ passi ta 'nitrifikazzjoni u tista' tossidizza NH 4+ sa No2- u aktar sa No3 - f'organiżmu wieħed. Studji rrappurtaw il-koeżistenza u l-kooperazzjoni ta 'batterji comammox u anammox waqt id-denitrifikazzjoni fil-laboratorju u sistemi ta' trattament tad-drenaġġ fuq skala kbira. Madankollu, dawn is-sistemi ma kinux inizjalment iddisinjati biex jarrikkixxu speċifikament il-komunitajiet anammox-comammox. Id-disinn u l-istabbiliment ta 'komunitajiet sintetiċi huwa aktar ta' sfida, u inqas studji ppruvaw inġinier jew jarrikkixxu għal tali interazzjonijiet. Studju minn Gottshall u l-kollegi stabbilixxew komunitajiet sintetiċi anammox-comammox fi ħdan żibeġ ta 'hydrogel inkapsulati. F'dawn iż-żibeġ, batterji Comammox okkupaw iż-żona ta 'barra aerobika, filwaqt li l-batterji anammox kien joqgħod fis-saff anossiku ta' taħt. Din l-interazzjoni u l-arranġament spazjali rriżultaw fi tneħħija kważi sħiħa tan-nitroġenu u mnaqqsa b'mod sinifikanti l-formazzjoni NO3, karatteristika ewlenija tat-trattament tad-drenaġġ, fejn NO3 - huwa prodott sekondarju mhux mixtieq. Il-konċentrazzjoni baxxa ta 'NO3 fir-refgħa tista' tkun dovuta għall-attività ta 'ammonja li tnaqqas in-nitrat (DNRA) ta' batterji anammox u \/ jew denitrifikaturi eterotrofiċi.

Fi studju ieħor, komunità Comammox-Anammox ġiet stabbilita bl-użu ta 'Nitrospira Inopinata u Anammox, li kienu ko-inkapsulati bil-karbonju fiż-żibeġ ta' hydrogel. Din il-konfigurazzjoni tar-reatturi l-ġdida użat it-tisħin radjanti tal-karbonju ko-inkapsulat mal-organiżmi biex jinkiseb it-tneħħija kważi kompluta NH 4+ f'temperaturi baxxi (jiġifieri, 4 grad) meta ttrattat effluwenti primarji sintetiċi u attwali mill-pjanti tat-trattament tad-drenaġġ muniċipali.

Filwaqt li jibnu fuq dawn is-sejbiet, aktar studji enfasizzaw li NH 4+ u konċentrazzjonijiet baxxi ta 'ossiġenu huma fost l-aktar parametri rilevanti għall-promozzjoni tal-arrikkiment u l-azzjoni sinerġistika ta' batterji fakultattivi u anerobiċi biex jinkisbu denitrifikazzjoni tal-ilma mormi mainstream. Riċerka futura għandha tiffoka fuq l-iżvilupp ta 'formati granulari adattati għar-reatturi tal-lott tas-sekwenzar (SBRs) u jeħtieġ li jiġu ttestjati f'kundizzjonijiet prattiċi u f'sistemi ta' trattament ta 'ilma mormi fuq skala akbar. Sistemi granulari jżidu b'mod inerenti r-rati ta 'trasferiment tal-massa minħabba l-erja tal-wiċċ miżjuda tagħhom u d-dinamika tal-fluss ottimizzata tagħhom, li hija essenzjali għal diffużjoni effiċjenti ta' substrat u ossiġenu fil-bijofilm. Barra minn hekk, dawn is-sistemi għandhom żamma tal-bijomassa ogħla, komunitajiet mikrobjali aktar stabbli, u r-rekwiżiti tal-volum tar-reatturi huma mnaqqsa ħafna minħabba l-kumpattezza tas-sistemi granulari. Sistemi granulari comammox-anammox huma wkoll aktar tolleranti għall-varjazzjonijiet fil-konċentrazzjonijiet tas-sottostrat u l-kundizzjonijiet ambjentali. Meta wieħed iqis dawn il-vantaġġi, l-iżvilupp ta 'sistemi granulari comammox-anammox jista' jkun avvanz kbir fl-implimentazzjoni prattika ta 'din l-interazzjoni. L-għan aħħari huwa li tiġi sfruttata l-mikroerofiliċità ta 'l-interazzjoni A. mikrobioflum-anammox biex tiffranka l-enerġija ta' arjazzjoni u timmassimizza l-użu ta 'din is-sħubija mikrobjali għal tneħħija effiċjenti ta' nitroġenu.

L-interazzjoni simbjotika bejn l-anammox u n-nitrat \/ nitrit dipendenti fuq il-mikroorganiżmi ta 'ossidazzjoni tal-metan (N-DAMO) li tiddependi fuq il-metan tipprovdi approċċ uniku u ambjentalment sostenibbli għat-tneħħija simultanja ta' nitroġenu anerobiku u metan (CH4) fis-sistemi ta 'trattament tad-drenaġġ. Il-komunità mikrobjali involuta fil-proċess N-DAMO tinkludi grupp batteriku mill-phylum NC10 (jiġifieri, candidatus metilomirabilis) u grupp arkeali mill-phylum euryarchaeota (jiġifieri, candidatus methanoperedens). Il-batterji N-DAMO huma kapaċi jnaqqsu l-ebda 2- sa n2, filwaqt li l-archaea n-damo ma tnaqqasx l-ebda 3- għal ebda {2-, it-tnejn li jużaw CH4 bħala donatur tal-elettroni. Li tgħaqqad anammox mal-proċess N-DAMO tippermetti t-tneħħija anerobika simultanja ta 'CH4 maħlul, nh 4+, l-ebda {2-, u l-ebda 3- mill-ilma tad-drenaġġ. Avvanzi riċenti wrew l-akkoppjar sinerġistiku ta 'proċessi anerobiċi u Damo f'konfigurazzjonijiet tal-bioreactor bħal reatturi tal-bijofilm tal-membrana (MBFRs) u r-reatturi tal-bijofilm tas-sodda li jiċċaqilqu (MBBRs) flimkien ma' fibri vojta. Dawn il-konfigurazzjonijiet tar-reatturi jippermettu żamma effiċjenti tal-bijomassa u konsenja CH4 permezz tal-membrani u fibri vojta, u b'hekk jistabbilixxu mikroambjent ottimali għal organiżmi Anammox u Damo.

Madankollu, minkejja l-vantaġġi ta 'konfigurazzjonijiet ibbażati fuq il-membrana, hemm sfidi fl-implimentazzjoni tagħhom f'sistemi fuq skala akbar. L-erja għolja tal-wiċċ tal-membrana hija meħtieġa biex iżżomm mikro-organiżmi li qed jikbru bil-mod, li jżid b'mod sinifikanti l-ispejjeż tal-investiment. Barra minn hekk, tieħu madwar {1-3 snin għal N-DAMO u batterji anerobiċi biex jiffurmaw bijofilm, li jżid b'mod sinifikanti l-ħin tal-bidu. L-iżvilupp ta 'Damo Granulari jipprovdi għażliet ġodda għal konfigurazzjonijiet tar-reatturi aktar effiċjenti, u b'hekk jieħu pass lejn applikazzjoni prattika. L-istudju wera li l-użu ta 'granuli anerobiċi maturi bħala bijoċarers aċċelleraw il-formazzjoni ta' granuli N-DAMO. Dan huwa partikolarment importanti għaliex fi studji preċedenti, ħadu aktar minn sena biex jinkisbu granuli N-Damo minn flocs sospiżi. Is-sistema granulari Damo-Anammox wriet ukoll rati ta 'trasferiment tal-massa ogħla, żamma ogħla tal-bijomassa, tnaqqis sinifikanti fir-rekwiżiti tal-volum tar-reatturi, u tolleranza akbar għall-varjazzjonijiet fil-konċentrazzjoni tal-għalf u kundizzjonijiet operattivi bħal rata ta' tagħbija u temperatura tan-nitroġenu. Għalkemm l-interazzjoni Anammox-N-Damo wriet wegħda, tibqa 'sfida li testendiha minn applikazzjonijiet tal-laboratorju għal applikazzjonijiet fuq skala kbira. Riċerka futura se tiffoka fuq l-ottimizzazzjoni tal-proċess anerobiku-damo biex ittejjeb l-effiċjenza tat-tneħħija tan-nitroġenu u tittestja l-proċess f'temperaturi aktar baxxi, tindirizza kwistjonijiet ta 'trasferiment tal-massa u diffużjoni, u twettaq testijiet pilota bl-użu ta' drenaġġ attwali.

It-tneħħija innovattiva tan-nitroġenu mill-ilma tad-drenaġġ bl-użu ta 'interazzjonijiet anammox-microbjali toffri approċċ ġdid biex jindirizza sfidi li jippersistu fl-implimentazzjoni ta' Anammox u s-sistemi tradizzjonali PN \/ A. Ir-reżiljenza ta 'AOA għal varjazzjonijiet ambjentali u l-affinità għolja tagħha għall-ossiġnu u NH 4+, flimkien mal-abbiltà ta' batterji Comammox biex iwettqu żewġ passi ta 'nitrifikazzjoni, joffru alternattivi promettenti għal AOB għal PN \/ a. Madankollu, ir-rata ta 'tkabbir bil-mod ta' AOA u l-isfidi ta 'Comammox fil-formazzjoni ta' bijofilm jenfasizzaw limitazzjonijiet intrinsiċi li għad iridu jiġu megħluba minn riċerka emerġenti. Barra minn hekk, minkejja l-wegħda ta 'interazzjonijiet simbjotiċi bejn il-mikro-organiżmi Anammox u N-DAMO fuq l-iskala tal-laboratorju, l-iskalar ta' dawn l-interazzjonijiet għal applikazzjonijiet fuq skala sħiħa tibqa 'sfida sinifikanti u tenfasizza l-ħtieġa għal aktar riċerka biex tiġi ottimizzata dawn il-proċessi għal applikazzjonijiet tad-dinja reali.

Dawn l-istudji jissuġġerixxu li l-integrazzjoni ta 'dawn il-proċessi mikrobjali għandha l-potenzjal li tindirizza wħud mill-kwistjonijiet potenzjali bl-implimentazzjoni ta' Anammox, iżda ma jsolvux kompletament dawn l-isfidi. Barra minn hekk, l-integrazzjoni ta 'dawn l-innovazzjonijiet tippreżenta sfidi addizzjonali li għandhom jiġu indirizzati. Madankollu, hemm valur fl-esplorazzjoni ta 'approċċi ta' riċerka multipli lil hinn mill-metodi tradizzjonali peress li din hija t-triq għall-ħolqien ta 'skoperti, soluzzjonijiet u applikazzjonijiet ġodda. Barra minn hekk, dawn l-istudji taw kontribuzzjonijiet sinifikanti għall-fehim tad-dinamika mikrobjali kumplessa li tdawwar il-batterji Anammox, li hija kritika għat-titjib ta 'unitajiet eżistenti u ġodda ta' trattament tad-drenaġġ. Għalkemm l-applikazzjoni ta 'dawn l-interazzjonijiet ġodda tista' ma tipprovdix soluzzjonijiet kompluti għal konġestjonijiet eżistenti fil-futur prevedibbli, hija tenfasizza l-ħtieġa li tiffoka riċerka futura fuq it-traduzzjoni ta 'suċċessi tal-laboratorju f'soluzzjonijiet prattiċi u skalabbli għat-trattament tad-drenaġġ muniċipali.