تطبيقات التكنولوجيا الحيوية الناشئة من Anammox

• توفر التفاعلات بين بكتيريا Anammox و Ammonia-Coxidizing Archaea ، والبكتيريا الأكسدة الأمونيا الكاملة ، والناترات\/النيتريت المعتمدة على الكائنات الحية الدقيقة التي تعتمد على النيتريت من أجل البكتيريا النتروجينية من أجل التذاكر من النيتروجين.
• أظهر التقدم في علوم المواد أن التفاعلات بين بكتيريا Anammox والمواد الكربونية مثل أكسيد الجرافين والكربون المنشط الحبيبي والفحم الحيوي وأشكال مختلفة من الحديد يمكن أن تعزز نشاط Anammox وإزالة النيتروجين.
• يشير اكتشاف قدرات نقل الإلكترون خارج الخلية لبكتيريا Anammox إلى أن هذا هو نهج واعد فعال في الطاقة لإزالة النيتروجين مع استرداد الطاقة المتزامن.
• التكيف الجوهري لبكتيريا أناموكس البحرية مع ظروف المالحة يجعلها أداة رئيسية لعلاج تيارات مياه الصرف الصحيحة.

أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (Anammox) هي طريقة إزالة النيتروجين الموفرة للطاقة ، وقد ركزت الأبحاث على Anammox على مدار العقد الماضي بشكل أساسي على تطبيقها في معالجة مياه الصرف الصحي المحلية. ومع ذلك ، تقوم الأبحاث الناشئة بتوسيع تطبيقها على تطبيقات التكنولوجيا الحيوية الجديدة وعمليات معالجة مياه الصرف الصحي.

يمكن لبكتيريا Anammox أكسدة الأمونيوم بشكل مباشر (NH 4+) إلى غاز النيتروجين (N2) باستخدام النيتريت (لا 2-) كمقبول للإلكترون. حتى الآن ، تعتبر عملية Anammox طريقة أكثر كفاءة في الطاقة وصديقة للبيئة في إزالة النترجون مقارنة بعملية النترجة\/النترج النتروي المكثفة للطاقة. إن استخدام Anammox لمعالجة مياه الصرف الصحي يوفر مزايا كبيرة ، بما في ذلك انخفاض بنسبة 60 ٪ في استهلاك الطاقة ، والتخلص التام لإضافات الكربون الخارجية ، وتخفيض بنسبة 80 ٪ في إنتاج الحمأة الزائدة ، مما يجعل عملية Anammox مكونًا رئيسيًا في تحقيق معالجة مياه الصرف الصحي المحايدة للطاقة أو حتى الطاقة. تم استخدام Anammox على نطاق واسع في المرافق واسعة النطاق لمعالجة مياه الصرف الصناعية والرائعة. بالإضافة إلى ذلك ، تم الإبلاغ عن ثلاث نباتات ناجحة النطاق الناجحة في الأمونيوم في Strass (Austria) و Changi (سنغافورة) و Xi'an (الصين). تقارير منشأة Strass عن مكملات الحمأة السائدة مع حبيبات Anammox في مفاعل Sidestream. يتم تشغيل المفاعل تحت تهوية متقطعة للتحكم في البكتيريا المؤكسدة على نتريت (NOB). بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم منشأة Changi الحمأة الغنية بالأناموكس جنبًا إلى جنب مع التغذية الخطوة والظروف الهوائية والأنسجة المتناوبة لقمع NOB. يستخدم مرفق Xi'an ناقلات الأغشية الحيوية للاحتفاظ البكتيريا البطيئة النمو في الخزانات الأكسدة. يتم تشغيل المفاعلات بتهوية متقطعة لتوليد تدرجات الأكسجين المذاب لإنتاج نتريت. والجدير بالذكر أنه على الرغم من أن منشآت Changi و Xi'an لم يتم تصميمها في الأصل من أجل Anammox ، إلا أنها توفر أدلة على أنه يمكن أيضًا تنفيذ Anammox السائد على نطاق واسع داخل البنية التحتية للمرفق الحالي لمعالجة مياه الصرف الصحي. تسلط هذه المنشآت الضوء على إمكانات النصيحة الجزئية\/Anammox (PN\/A). بالإضافة إلى ذلك ، تم إظهار معالجة مياه الصرف الصحي المحلية باستخدام معالجة المواد العضوية اللاهوائية (المرحلة أ) و PN\/A (المرحلة ب) بنجاح في المقاييس المختبرية والتجريبية ، مما يمثل خطوة نحو معالجة مياه الصرف الصحي المحايدة للطاقة.

على الرغم من التوضيح الناجح لـ PN\/A السائد ، هناك العديد من التحديات للتنفيذ الواسع النطاق لـ ANAMMOX في العلاج السائد ، بما في ذلك الحاجة إلى الإنتاج المستقر no 2- ، وخفض الأداء في درجات حرارة منخفضة وتركيزات منخفضة NH 4+ ، والحاجة إلى تثبيت نشاط NOB. تم توجيه الأبحاث خلال العقد الماضي نحو معالجة هذه القيود لاستغلال Anammox بالكامل لعلاج مياه الصرف الصحي المحلية. تم إحراز تقدم كبير في تحقيق PN مستقر ، وتحسين الأداء في درجات حرارة منخفضة وتركيزات الأمونيوم المنخفضة ، والتحكم في NOB ، والتشغيل في مجموعة واسعة من نسب الكربون إلى النيتروجين (C: N). بالإضافة إلى ذلك ، غيرت التطورات الحديثة تصور الوقت المضاعف البطيء لبكتيريا Anammox ، والتي لم يعد يُنظر إليها على أنها عائق أمام تنفيذ التكنولوجيا. أظهرت الأبحاث أنه ، اعتمادًا على الأنواع ، تعد الأوقات المضاعفة السريعة خاصية حركية جوهرية لبكتيريا Anammox. علاوة على ذلك ، فقد أظهر التنوع المتزايد لأنواع الأناموكس والتقدم في أساليب الثقافة أن هذه البكتيريا يمكن أن تنمو بشكل أسرع مما كان متوقعًا ، مما يسمح بتطبيق التكنولوجيا على نطاق واسع بغض النظر عن معدل نموها.

بينما بذل الجهود لمواجهة التحديات التقليدية والاختناقات لتطبيقات anammox في البيئات السائدة ، ركزت الأبحاث الحديثة أيضًا على الأساليب المبتكرة لمواجهة هذه التحديات ، مثل anammox-microbial التفاعلات المبتكر في أنموكيوم ، و manemoche ، و anammostemantium anmateum anampantium ، و bioctemantium anampantium ، العلاج مع البكتيريا anammox. يتم إجراء هذا البحث أثناء استكشاف تطبيقات التكنولوجيا الحيوية الجديدة ، مثل إزالة الأمونيا من مياه الصرف الصحيحة باستخدام بكتيريا الأناموكس البحرية (MAB).

توجد بكتيريا Anammox في شبكة بيئية معقدة حيث تتفاعل مع مجموعة متنوعة من المجموعات الميكروبية الأخرى في البيئة الطبيعية ، وأنظمة معالجة مياه الصرف ، وثقافات التخصيب. بالنظر إلى أن Anammox قد برزت كعملية رئيسية لإخلاص مياه الصرف الصحي ، فإن فهم هذه التفاعلات الميكروبية المعقدة لا يثري فهمنا لركوب الدراجات النيتروجين الميكروبية فحسب ، بل يعد أيضًا ضروريًا لتطوير تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي من الجيل التالي. عادةً ، في نظام PN\/A من مرحلة واحدة ، تتعايش بكتيريا Anammox مع بكتيريا الأكسدة الأمونيا (AOB) في الجسيمات لتشكيل علاقة متماثلة ، وبالتالي تحقيق نزع مزيد من الكفاءة. يتأكسد AOB جزئيًا NH 4+ إلى NO2− ، ويعمل NO2 - الذي تم إنشاؤه كمستقبل إلكترون لبكتيريا Anammox ، وأكسدة NH 4+ وإنتاج N2. مزايا نظام PN\/A من مرحلة واحدة.

التفاعلات بين بكتيريا Anammox و (أ) بكتيريا الأكسدة (AOB) والبكتيريا المؤكسدة على نتريت (نوب) ، (ب) آسريا أكسدة الأمونيا (AOA) ، (ج) أكسدة ميثان ميثان (d) النيتريت\/النيتريت الكاملة.

على الرغم من أن نظام PN\/A ذو المرحلة الواحدة له مزايا على نظام مرحلتين ، إلا أن درجة الحرارة المنخفضة التي تؤثر على نشاط AOB و anammox ، وكذلك الحفاظ على إنتاج مستقر لا 2- ، يمثل تحديات في تشغيل المطبوعات الحيوية وتنفيذ عمليات Anammox في معالجة مياه الغرفة البلدية. بالإضافة إلى ذلك ، تضيف الطبيعة المعتمدة على الأكسجين من PN طبقة من التعقيد لتشغيل المفاعل. يمكن أن يحد إمدادات الأكسجين غير الكافي من أكسدة NH 4+ إلى لا 2- ، مما يؤثر على إزالة NH 4+ بواسطة بكتيريا Anammox. وعلى العكس ، يمكن أن يؤدي الإفراط في التهوية إلى إنتاج NO2 الزائد ، مما يمنع بكتيريا Anammox ويحفز NOB. هذا ينتج عناصر سائلة غنية بالنترات (NO3 -) و NOB ، والتي تفوق بكتيريا Anammox. إن تراكم NO3 - ، سواء من النشاط الأيضي المتأصل لبكتيريا Anammox أو NOB ، يمكن أن يقلل من الجودة الشاملة للفقر السائل. لذلك ، من الضروري تطوير أساليب أكثر كفاءة واستقرار لتزويد أي {11}} إلى Anammox.

إن اقتران anammox مع Archaea-asidizing Archaea (AOA) هو مجال ناشئ من الأبحاث الذي يعد بتوفير نظام علاج أكثر قوة وكفاءة مقارنة مع PN\/A التقليدية مع AOB. AOA هو فرع مهيمن من phylum thaumarchaeota الموجود في بيئات قلة القلة المختلفة ، مثل المناطق الحد الأدنى للأكسجين (OMZs). بالمقارنة مع AOB ، يتمتع AOA بقدرة أعلى على تقلبات درجة الحرارة المحيطة ولديه تقارب أعلى بكثير للأكسجين و NH 4+. تقارب AOA العالي لـ NH 4+ ويمكّنه Oxygen من العمل بكفاءة في البيئات ذات التركيزات المنخفضة للركيزة. قد تجعل هذه الخصائص AOA مناسبة للجمع بين Anammox لمعالجة مياه الصرف الصحي المحلية ، والتي غالبًا ما تتقلب ظروف التشغيل مثل التغيرات في درجة الحرارة وتركيزات الأمونيوم المنخفضة. تشير نماذج BioFilm إلى أن AOA قد توفر مصدرًا أكثر استقرارًا من عدم وجود {3}} من AOB بتركيزات الأمونيا السفلية.

على الرغم من أن هذه الدراسات توفر رؤى واعدة حول إمكانات أنظمة AOA-Anammox ، إلا أن تحسين هذه الشراكة الميكروبية في التطبيقات واسعة النطاق لا يزال يمثل تحديًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إعاقة AOA بسبب معدل النمو البطيء وضعف قدرتها على تكوين الأغشية الحيوية ، مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات الحياة الواقعية حيث النشاط الميكروبي السريع وتكوين الأغشية الحيوية المستقرة أمر بالغ الأهمية. في المقابل ، توفر بكتيريا أكسدة الأمونيا الكاملة (Comammox) بديلاً أكثر كفاءة. بالمقارنة مع AOA ، لا تظهر بكتيريا Comammox معدلات نمو أعلى فحسب ، بل تحتوي أيضًا على تقارب الركيزة الأوسع وتوفر إمكانية النمو في الأغشية الحيوية إلى جانب Anammox. تعتبر بكتيريا Comammox مجموعة فرعية من جنس Nitrospira مع القدرة الفريدة على أداء خطوتين من النتروجين ويمكن أن تؤكسد NH 4+ إلى no2 - إلى NO3 - في كائن واحد. أبلغت الدراسات عن التعايش والتعاون مع بكتيريا الكوموكس والأناموكس أثناء إزالة النترات في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي على نطاق واسع. ومع ذلك ، لم يتم تصميم هذه الأنظمة في البداية لإثراء مجتمعات Anammox-Comammox على وجه التحديد. يعد تصميم وإنشاء مجتمعات اصطناعية أكثر تحديا ، وقد حاول عدد أقل من الدراسات المهندسة أو الإثراء لمثل هذه التفاعلات. أنشأت دراسة أجرتها Gottshall وزملاؤها مجتمعات anammox-comammox الاصطناعية داخل حبات هيدروجيل مغلفة. في هذه الخرزات ، احتلت بكتيريا Comammox المنطقة الخارجية الهوائية ، في حين أن بكتيريا Anammox تقع في الطبقة الأكسدة أدناه. أدى هذا التفاعل والترتيب المكاني إلى إزالة النيتروجين الكاملة تقريبًا وتقليل تكوين No3 - ، وهي ميزة رئيسية لمعالجة مياه الصرف الصحي ، حيث NO3 - هي منتج ثانوي غير مرغوب فيه. قد يكون تركيز NO3 المنخفض في مياه الصرف الصحي ناتجًا عن نشاط الأمونيا (DNRA) الذي يقلل النترات (DNRA) و\/أو غير المتجانسة غير المتجانسة.

في دراسة أخرى ، تم إنشاء مجتمع Comammox-Anammox باستخدام Nitrospira inopinata و anammox ، والتي تم تشكيلها مع الكربون في حبات هيدروجيل. استخدم تكوين المفاعل الجديد تسخينًا مشعًا للكربون المشترك مع الكائنات الحية لتحقيق إزالة NH 4+ في درجات حرارة منخفضة (أي 4 درجات) عند علاج النفايات الاصطناعية الأولية والفعلية من نباتات معالجة مياه الصرف البلدية.

بناءً على هذه النتائج ، أكدت المزيد من الدراسات أن ارتفاع NH 4+ وتركيزات الأكسجين المنخفضة من بين أكثر المعلمات ذات الصلة لتعزيز الإثراء والعمل التآزري للبكتيريا الاختيارية واللاهوائية لتحقيق إزالة المياه العاصفة الرئيسية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تطوير تنسيقات حبيبية مناسبة لمفاعلات الدُفعات التسلسلية (SBRS) ويجب اختبارها في ظل ظروف عملية وفي أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي على نطاق واسع. تزيد الأنظمة الحبيبية بطبيعتها من معدلات نقل الكتلة بسبب زيادة مساحة السطح وديناميات التدفق المحسنة ، وهو أمر ضروري لنشر الركيزة والأكسجين الفعال في الأغشية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الأنظمة لديها احتباس أعلى في الكتلة الحيوية ، والمجتمعات الميكروبية الأكثر استقرارًا ، ومتطلبات حجم المفاعل تقل بشكل كبير بسبب انضغاط الأنظمة الحبيبية. أنظمة Comammox-Anammox الحبيبية هي أيضًا أكثر تسامحًا مع التقلبات في تركيزات الركيزة والظروف البيئية. بالنظر إلى هذه المزايا ، يمكن أن يكون تطوير أنظمة Comammox-Anammox الحبيبية بمثابة تقدم كبير في التنفيذ العملي لهذا التفاعل. الهدف النهائي هو استغلال توصيف الميكروفيلوم-anammox التفاعل لتوفير طاقة التهوية وزيادة استخدام هذه الشراكة الميكروبية لإزالة النيتروجين الفعالة.

يوفر التفاعل التكافلي بين Anammox و Nitrate\/Nitrite اللاهوائية المؤكسدة الميثان (N-damo) مقاربة فريدة ومستدامة للبيئة للإزالة المتزامنة للنيتروجين اللاهوائي والميثان (CH4) في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي. يتضمن المجتمع الميكروبي المشارك في عملية N-damo مجموعة بكتيرية من Phylum NC10 (أي المبيضات ميثيلوميرابيليس) ومجموعة من الأثرياء من phylum euryarchaeota (أي Candidatus methanoperedens). لا يمكن لبكتيريا N-damo تقليل عدم وجود {6}} إلى N2 ، في حين أن n-damo archaea يقلل من لا 3- إلى لا 2- ، كلاهما باستخدام CH4 كمتبرع للإلكترون. يتيح الجمع بين anammox مع عملية n-damo الإزالة اللاهوائية المتزامنة لـ CH4 الذائبة ، NH 4+ ، لا 2- ، ولا 3- من المياه العادمة. أظهرت التطورات الحديثة الاقتران التآزري لعمليات اللاهوائية و DAMO في تكوينات المفاعل الحيوي مثل مفاعلات الغشاء الحيوي (MBFRs) ومفاعلات السرير الحيوي (MBBRs) إلى جانب ألياف مجوفة. تسمح تكوينات المفاعل هذه بالاحتفاظ بكفاءة في الكتلة الحيوية وتسليم CH4 عبر الأغشية والألياف المجوفة ، وبالتالي إنشاء بيئة دقيقة مثالية للكائنات الحية Anammox و DAMO.

ومع ذلك ، على الرغم من مزايا التكوينات القائمة على الغشاء ، هناك تحديات في تنفيذها في أنظمة واسعة النطاق. المساحة السطحية المرتفعة للغشاء ضرورية للاحتفاظ بالكائنات الحية الدقيقة البطيئة ، مما يزيد بشكل كبير من تكاليف الاستثمار. بالإضافة إلى ذلك ، يستغرق الأمر تقريبًا {3}} للبكتيريا N-damo والبكتيريا اللاهوائية لتشكيل الأغشية الحيوية ، مما يزيد بشكل كبير من وقت البدء. يوفر تطوير Damo الحبيبي خيارات جديدة لتكوينات مفاعل أكثر كفاءة ، وبالتالي اتخاذ خطوة نحو التطبيق العملي. أظهرت الدراسة أن استخدام حبيبات اللاهوائية الناضجة حيث أن حاملات حيوية تسرع في تكوين حبيبات N-damo. هذا مهم بشكل خاص لأنه في الدراسات السابقة ، استغرق الأمر أكثر من عام للحصول على حبيبات N-damo من FLOCs المعلقة. كما أظهر نظام Damo-Anammox الحبيبي معدلات نقل كتلة أعلى ، وارتفاع احتباس الكتلة الحيوية ، وانخفاض كبير في متطلبات حجم المفاعل ، وزيادة التسامح مع التقلبات في تركيز التغذية وظروف التشغيل مثل معدل تحميل النيتروجين ودرجة الحرارة. على الرغم من أن تفاعل Anammox-N-Damo أظهر وعدًا ، إلا أنه لا يزال يمثل تحديًا لتمديده من التطبيقات المختبرية إلى التطبيقات واسعة النطاق. ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين عملية الديمقراطية اللاهوائية لتحسين كفاءة إزالة النيتروجين واختبار العملية في درجات حرارة منخفضة ، ومعالجة مشكلات النقل الجماعي والانتشار ، وإجراء الاختبارات التجريبية باستخدام مياه الصرف الصحي الفعلية.

توفر إزالة النيتروجين المبتكرة من مياه الصرف الصحي باستخدام التفاعلات بين الأناموكس الميكروبية نهجًا جديدًا لمواجهة التحديات التي تستمر في تنفيذ Anammox وأنظمة PN\/A التقليدية. تقدم مرونة AOA إلى التقلبات البيئية وتقاريرها العالية للأكسجين و NH 4+ ، إلى جانب قدرة بكتيريا Comammox على إجراء خطوتين نتروجين ، بدائل واعدة لـ AOB لـ PN\/A. ومع ذلك ، فإن معدل النمو البطيء لـ AOA وتحديات Comammox في تكوين الأغشية الحيوية يسلط الضوء على القيود الجوهرية التي لم يتم التغلب عليها بعد عن طريق الأبحاث الناشئة. علاوة على ذلك ، على الرغم من الوعد بالتفاعلات التكافلية بين الكائنات الحية الدقيقة في Anammox والكائنات الحية الدقيقة على نطاق المختبر ، إلا أن توسيع نطاق هذه التفاعلات إلى التطبيقات واسعة النطاق لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا ويسلط الضوء على مزيد من البحث لتحسين هذه العمليات للتطبيقات الواقعية.

تشير هذه الدراسات إلى أن دمج هذه العمليات الميكروبية لديه القدرة على معالجة بعض المشكلات المحتملة مع تنفيذ Anammox ، لكنها لا تحل هذه التحديات تمامًا. علاوة على ذلك ، فإن دمج هذه الابتكارات يمثل تحديات إضافية تحتاج إلى معالجة. ومع ذلك ، هناك قيمة في استكشاف أساليب بحث متعددة تتجاوز الأساليب التقليدية لأن هذا هو الطريق إلى إنشاء اكتشافات وحلول وتطبيقات جديدة. علاوة على ذلك ، قدمت هذه الدراسات مساهمات كبيرة في فهم الديناميات الميكروبية المعقدة المحيطة ببكتيريا Anammox ، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين وحدات معالجة مياه الصرف الصحي الحالية والجديدة. على الرغم من أن تطبيق هذه التفاعلات الجديدة قد لا يوفر حلولًا كاملة للاختناقات الحالية في المستقبل المنظور ، إلا أنه يسلط الضوء على الحاجة إلى تركيز الأبحاث المستقبلية على ترجمة النجاحات المختبرية إلى حلول عملية وقابلة للتطوير لمعالجة مياه الصرف الصحي البلدية.