Bakterie anammox pomogą w oczyszczaniu ścieków i zmniejszeniu efektu cieplarnianego

Do lat 70. ubiegłego wieku naukowcy byli przekonani, że udało im się odkryć i opisać wszystkie elementy biogeochemicznego obiegu azotu w przyrodzie. Nitryfikatory były uznawane za te bakterie, które utleniają azot amonowy do azotanów (V), a denitryfikatory za jedyne mikrobiologiczne ogniwo tego cyklu, które pozwala odtwarzać pulę wolnego azotu w przyrodzie. Jakie było ich zdziwienie, gdy w 1977 Engelbert Broda w oparciu o badania termodynamiczne stwierdził, że istnieje lub istniało takie ogniwo tego cyklu, które prowadzi utlenianie amoniaku w warunkach anoksycznych z azotanem (III) lub (V) jako akceptorem elektronów. Jego hipoteza została potwierdzona w latach 90. odkryciem w bioreaktorze denitryfikującym bakterii, które prowadziły taki proces. Nazwano je bakteriami anammox (ang. anaerobic ammonium oxidation) i to odkrycie zapoczątkowało erę nowych badań w dziedzinie mikrobiologii przemian azotu.

Fot. Michał Łepecki Bakterie anammox są niezwykle ciekawym ogniwem przemian azotowych, zarówno z technologicznego, jak i mikrobiologicznego punktu widzenia. Współegzystują z innymi bakteriami przemian azotowych w złożonych zbiorowiskach. Ponieważ bakterii anammox nie wyizolowano dotąd w postaci czystych kultur bada się je metodami biologii molekularnej, które uniezależniają analizy od metod hodowlanych. Wyniki badań ilościowych i jakościowych stanowiących cel tego projektu wskazują, że zbiorowisko bakteryjne ulega przebudowie w dużej mierze niezależnie od parametrów technologicznych, a wszystkie grupy bakterii przemian azotowych są obecne w układzie technologicznym w zmieniającej się proporcji z dominacją bakterii anammox. Dozowanie do układu ścieków rzeczywistych, jakimi były odcieki składowiskowe, zmienia strukturę genotypową zbiorowiska, powodując zmniejszenie udziału bakterii anammox, zbiorowisko powraca jednak szybko do równowagi po powrocie na pożywkę syntetyczną. Badania oparte na sekwencjonowaniu nowej generacji wykazały, że prócz bakterii anammox (w dużej części niezidentyfikowanych Planctomycetes) w bioreaktorze dominują również bakterie z typu Nitrospirae, niedawno uznane za mikroorganizmy zdolne do prowadzenia pełnej nitryfikacji (comammox). Badania mikrobiologiczne pozwoliły na identyfikację czynników, które mogą wpływać negatywnie na proces, a taka wiedza pozwala ustalić warunki procesu technologicznego w taki sposób, aby równowaga ekologiczna zbiorowiska nie ulegała zmianom, co pozwala efektywnie i tanio oczyszczać ścieki. Analizy te przyczyniają się również do poszerzania wiedzy o ekologii mikroorganizmów przemian azotowych.

Fot. Michał Łepecki Jako technologia proces anammox jest metodą bardzo efektywną, która w oczyszczalni ścieków pozwalałaby zaoszczędzić na napowietrzaniu, niezbędnym dla nitryfikatorów, oraz na dozowaniu zewnętrznego źródła węgla organicznego, potrzebnego bakteriom denitryfikacyjnym. Jednak optymalna temperatura ich wzrostu wynosi powyżej 30°C. Dlatego w przypadku oczyszczania ścieków komunalnych o znacznie niższej temperaturze, niezbędne byłoby dogrzewanie procesu, co powoduje, że anammox staje się nieopłacalny. Dlatego też w tym projekcie skupiono się na możliwości prowadzenia procesu w temperaturze znacznie niższej niż optymalna z jednoczesnym badaniem wpływu pH na efektywność procesu, ponieważ w niskich temperaturach proces jest bardziej wrażliwy na zmiany odczynu. Badania prowadzono jednocześnie z analizami mikrobiologicznymi. Wykazano, że dodanie katalizatorów np. zredukowanego tlenku grafenu stymuluje proces anammox w niskich temperaturach. Badania nad wpływem metali ciężkich na proces anammox wykazały, że cynk jest wyraźnie toksyczny dla procesu, podczas gdy kadm, chrom i ołów nie mają takiego wpływu. Bakterie anammox rosną dużo wolniej niż większość bakterii, dlatego uruchamianie tego procesu jest długotrwałe. W badaniach wykazano, że można go znacznie skrócić (z ok. 250 do 85 dni) zaszczepiając reaktor osadem z dominacją bakterii anammox. Badania technologiczne procesu anammox mają ogromne znaczenie nie tylko dla prowadzenia efektywnego oczyszczania ścieków, ale również jako proces autotroficzny pozwalają zmniejszać pulę gazów cieplarnianych w atmosferze, co ma niebagatelny wpływ na zmiany klimatu.