Anammox
Anammox , en förkortning för "anaerob ammoniumoxidation", är en globalt viktig mikrobiell process i kvävets kretslopp som äger rum i många naturliga miljöer. Bakterierna som förmedlar denna process identifierades 1999 och var en stor överraskning för det vetenskapliga samfundet. I anammoxreaktionen omvandlas nitrit- och ammoniumjoner direkt till diatomiskt kväve och vatten.
Bakterierna som utför anammoxprocessen är släkten som tillhör bakteriefilen Planctomycetota . Alla anammoxbakterierna har en anammoxosom , ett lipidbiskiktsmembranbundet fack inuti cytoplasman där anammoxprocessen äger rum. Anammoxosommembranen är rika på ladderanlipider ; närvaron av dessa lipider är hittills unik inom biologin.
"Anammox" är också det varumärkesskyddade namnet för en anammox-baserad ammoniumborttagningsteknik utvecklad av Delft University of Technology .
Process bakgrund
I denna biologiska process, som är en proportioneringsreaktion , omvandlas nitrit- och ammoniumjoner direkt till diatomiskt kväve och vatten.
-
NH
+ 4 + NO
- 2 - > N2
_ +
_ 2H2O .
Globalt sett kan denna process vara ansvarig för 30–50 % av N
2 -gasen som produceras i haven. Det är således en stor sänka för fixerat kväve och begränsar därför oceanisk primärproduktivitet.
Bakterierna som utför anammoxprocessen tillhör bakteriefilen Planctomycetota . För närvarande har fem anammox-släkten upptäckts: Brocadia , Kuenenia , Anammoxoglobus , Jettenia (alla sötvattensarter) och Scalindua (marina arter). Anammox-bakterierna kännetecknas av flera slående egenskaper:
- De har alla en anammoxosom, ett membranbundet fack inuti cytoplasman som är platsen för anammox-katabolism. Vidare består membranen hos dessa bakterier huvudsakligen av ladderanlipider som är unika inom biologin .
- Av särskilt intresse är omvandlingen till hydrazin (som normalt används som ett högenergiraketbränsle och giftigt för de flesta levande organismer) som en mellanprodukt.
- En sista slående egenskap hos organismen är den extremt långsamma tillväxthastigheten; fördubblingstiden är allt från 7–22 dagar .
Anammox-bakterierna är inriktade på att omvandla sina substrat vid mycket låga koncentrationer; med andra ord, de har en mycket hög affinitet till sina substrat ammonium och nitrit (submikromolärt område). Anammox-celler är packade med cytokrom c -typ (≈30% av proteinkomplementet), inklusive de enzymer som utför de viktigaste katabola reaktionerna i anammox-processen, vilket gör cellerna anmärkningsvärt röda. Anammox-processen visade sig ursprungligen endast ske från 20 °C till 43 °C, men på senare tid har anammox observerats vid temperaturer från 36 °C till 52 °C i varma källor och 60 °C till 85 °C vid hydrotermiska ventiler placerade längs Mid-Atlantic Ridge.
Historia
1932 rapporterades det att dikvävegas genererades via en okänd mekanism under jäsning i sedimenten i Lake Mendota, Wisconsin, USA. 1965 märkte FA Richards att det mesta av ammoniumet som skulle produceras under den anaeroba remineraliseringen av organiskt material saknades. Eftersom det inte fanns någon känd biologisk väg för denna omvandling, fick biologisk anaerob oxidation av ammonium lite mer uppmärksamhet.
1977 förutspådde Engelbert Broda existensen av två kemolitoautotrofa mikroorganismer som kan oxidera ammonium till dikvävegas på basis av termodynamiska beräkningar. Man trodde att anaerob oxidation av ammonium inte skulle vara genomförbar, förutsatt att föregångarna hade försökt och misslyckats med att etablera en biologisk grund för dessa reaktioner. På 1990-talet stämde Arnold Mulders observationer bara överens med Richards förslag. I deras anoxiska denitrifierande pilotreaktor försvann ammonium på bekostnad av nitrit med en tydlig kväveproduktion. Reaktorn använde avloppsvattnet från en metanogen pilotreaktor, som innehöll ammonium, sulfid och andra föreningar, och nitrat från en nitrifieringsanläggning som inflöde. Processen fick namnet "anammox" och insågs ha stor betydelse för att avlägsna oönskad ammonium.
Upptäckten av anammox-processen presenterades först offentligt vid den 5:e europeiska kongressen om bioteknik . I mitten av 1990-talet publicerades upptäckten av anammox i reaktorn med fluidiserad bädd. En maximal ammoniumavlägsningshastighet på 0,4 kg N/m3 / d uppnåddes. N2
Det visades att för varje mol ammonium som förbrukades krävdes 0,6 mol nitrat, vilket resulterade i bildning av 0,8 mol -gas.
1995 identifierades den biologiska naturen hos anammox. Märkningsexperiment med 15
NH
+ 4 i kombination med 14
NO
− 3 visade att 14-15 N
2 var den dominerande produkten som utgjorde 98,2 % av den totala märkta N
2 . Man insåg att, istället för nitrat, antogs nitrit som oxidationsmedel för ammonium i anammoxreaktion. Baserat på en tidigare studie har Strous et al. beräknade stökiometrin för anammox-processen genom massbalansering, vilket är allmänt accepterat av andra grupper. Senare identifierades anammox-bakterier som Planctomycetota , och den första identifierade anammox-organismen fick namnet Candidatus " Brocadia anammoxidans ."
Före 2002 antogs anammox vara en mindre aktör i kvävets kretslopp inom naturliga ekosystem. År 2002 visade sig dock anammox spela en viktig roll i det biologiska kvävekretsloppet och svarade för 24–67 % av den totala N
2 -produktionen i de sediment på kontinentalsockeln som studerades. Upptäckten av anammox-processen modifierade konceptet med biologisk kvävecykel, som visas i figur 2.
Möjliga reaktionsmekanismer
Enligt 15
N märkningsexperiment utförda 1997 oxideras ammonium biologiskt av hydroxylamin , troligen härrörande från nitrit , som den troliga elektronacceptorn. Omvandlingen av hydrazin till dikvävegas antas vara den reaktion som genererar elektronekvivalenter för reduktion av nitrit till hydroxylamin. Generellt behandlas två möjliga reaktionsmekanismer:
- En mekanism antar att ett membranbundet enzymkomplex omvandlar ammonium och hydroxylamin till hydrazin först, följt av oxidation av hydrazin till dikvävegas i periplasman. Samtidigt reduceras nitrit till hydroxylamin vid det cytoplasmatiska stället för samma enzymkomplex som ansvarar för hydrazinoxidation med en intern elektrontransport (Figur 3a).
- Den andra mekanismen postulerar följande: ammonium och hydroxylamin omvandlas till hydrazin av ett membranbundet enzymkomplex, hydrazin oxideras i periplasman till dikvävegas och de genererade elektronerna överförs via en elektrontransportkedja till nitritreducerande enzym i cytoplasman. där nitrit reduceras till hydroxylamin (Figur 3b).
Huruvida reduktionen av nitrit och oxidationen av hydrazin sker på olika platser av samma enzym eller om reaktionerna katalyseras av olika enzymsystem kopplade via en elektrontransportkedja återstår att undersöka. I mikrobiell kvävemetabolism är förekomsten av hydrazin som en intermediär sällsynt. Hydrazin har föreslagits som en enzymbunden intermediär i nitrogenasreaktionen . Nyligen, med hjälp av detaljerade molekylära analyser och kombinera kompletterande metoder, publicerade Kartal och medarbetare starka bevis som stöder den senare mekanismen. Dessutom renades det enzym som producerar hydrazin, hydrazinsyntas, och visade sig producera hydrazin från NO och ammonium. Produktionen av hydrazin från ammonium och NO stöddes också av upplösningen av kristallstrukturen hos enzymet hydrazinsytas.
En möjlig roll för kväveoxid (NO) eller nitroxyl (HNO) i anammox föreslogs av Hooper et al. genom kondensation av NO eller HNO och ammonium på ett enzym relaterat till ammoniummonooxygenasfamiljen. Den bildade hydrazinen eller iminen kan därefter omvandlas av enzymet hydroxylaminoxidas till dikvävegas, och de reducerande ekvivalenterna som produceras i reaktionen krävs för att kombinera NO eller HNO och ammonium eller för att reducera nitrit till NO. Miljögenomisk analys av arten Candidatus Kuenenia stuttgartiensis , genom en något annorlunda och komplementär metabolismmekanism, föreslog NO som mellanprodukt istället för hydroxylamin (Figur 4). Men denna hypotes överensstämde också med att hydrazin var en viktig mellanprodukt i processen. I denna väg (Figur 4) finns det två enzymer som är unika för anammox-bakterier: hydrazinsyntas (hzs) och hydrazindehydrogenas (hdh). HZS producerar hydrazin från kväveoxid och ammonium, och HDH överför elektronerna från hydrazin till ferredoxin . Få nya gener, såsom vissa kända fettsyror biosyntes och S-adenosylmetionin radikal enzymgener, som innehåller domäner involverade i elektronöverföring och katalys har upptäckts. Anammox-mikroorganismer kan också direkt koppla NO-reduktion till ammoniakoxidation, utan behov av nitrittillförsel.
En annan, fortfarande outforskad, reaktionsmekanism involverar anaerob ammoniumoxidation på anoder i bioelektriska system. Sådana system kan vara mikrobiella bränsleceller eller mikrobiella elektrolysceller . I frånvaro av löst syre, nitrit eller nitrat kan mikrober som lever i anodrummet oxidera ammonium till dikvävegas (N 2 ) precis som i den klassiska anammoxprocessen. Samtidigt lastar de av de frigjorda elektronerna på anoden och producerar elektrisk ström. Denna elektriska ström kan användas antingen direkt i bränslecellsläge eller för väte- och metangasproduktion i elektrolysläge . Även om det inte finns någon klarhet om reaktionsmekanismen bakom, är en hypotes att nitrit , nitrat eller dikväveoxid spelar en roll som mellanprodukter. Men eftersom processen sker vid mycket låga elektrokemiska potentialer , verkar andra, mer spekulativa, reaktionsmekanismer också möjliga.
Artmångfald
Hittills har tio anammoxarter beskrivits, inklusive sju som finns tillgängliga i laboratorieanrikningskulturer. Alla har den taxonomiska statusen Candidatus , eftersom ingen erhölls som klassiska renkulturer. Kända arter är indelade i fem släkten:
- Kuenenia , en art: Kuenenia stuttgartiensis .
- Brocadia , tre arter: B. anammoxidans , B. fulgida och B. sinica .
- Anammoxoglobus , en art: A. propionicus .
- Jettenia , en art: J. asiatica .
- Scalindua , fyra arter: S. brodae , S. sorokinii , S. wagneri och S. profunda.
Representanter för de fyra första släktena berikades från slam från avloppsreningsverk; K. stuttgartiensis , B. anammoxidans , B. fulgida och A. propionicus erhölls till och med från samma inokulum. Scalindua dominerar den marina miljön, men finns även i vissa sötvattensekosystem och avloppsreningsverk.
Tillsammans representerar dessa 10 arter sannolikt bara en liten bråkdel av anammox biologiska mångfald. Till exempel finns det för närvarande över 2000 16S rRNA-gensekvenser kopplade till anammox-bakterier som har deponerats till Genbanken ( https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ ), som representerar en förbisedd kontinuum av arter, underarter , och stammar, som var och en uppenbarligen har hittat sin specifika nisch i det stora utbudet av livsmiljöer där anammox-bakterier påträffas. Arternas mikrodiversitet är särskilt imponerande för den marina representanten Scalindua . En fråga som återstår att utreda är vilka miljöfaktorer som avgör artdifferentiering bland anammoxbakterier.
Sekvensidentiteterna för anammox 16S rRNA-generna sträcker sig från 87 till 99 %, och fylogenetisk analys placerar dem alla inom phylum Planctomycetota , som bildar PVC-superfylum tillsammans med Verrucomicrobia och Chlamydiae . Inom Planctomycetota förgrenar sig anammoxbakterier djupt som en monofyletisk kladd. Deras fylogenetiska position tillsammans med ett brett utbud av specifika fysiologiska, cellulära och molekylära egenskaper ger anammox-bakterier sin egen ordning Brocadiales .
Användning vid rening av avloppsvatten
Tillämpningen av anammox-processen ligger i avlägsnandet av ammonium i avloppsvattenrening och består av två separata processer. Det första steget är partiell nitrifikation (nitritering) av hälften av ammoniumet till nitrit av ammoniakoxiderande bakterier :
- 2 NH
+ 4 + 3
O2 → 2
2 H2O NO -
2 + 4 H +
+
Den resulterande ammonium och nitrit omvandlas i anammox-processen till dikvävegas och ~15 % nitrat (visas ej) av anammox-bakterier:
-
NH
+ 4 + NO
- 2 H2O
- + → N2
_ 2
Båda processerna kan ske i 1 reaktor där två skrå av bakterier bildar kompakta granulat.
För anrikning av anammox-organismerna verkar ett granulärt biomassa- eller biofilmsystem vara särskilt lämpat i vilket den nödvändiga slamåldern på mer än 20 dagar kan säkerställas. Möjliga reaktorer är sekvenseringssatsreaktorer (SBR), reaktorer med rörlig bädd eller gas-lift-loop-reaktorer. Kostnadsminskningen jämfört med konventionell kvävereduktion är avsevärd; Tekniken är fortfarande ung men beprövad i flera fullskaliga installationer.
Den första fullskalige reaktorn avsedd för applicering av anammox-bakterier byggdes i Nederländerna 2002. I andra reningsverk för avloppsvatten, såsom den i Tyskland (Hattingen), observeras anammoxaktivitet av en slump, men de byggdes inte för det ändamålet. Från och med 2006 finns det tre fullskaliga processer i Nederländerna: en i ett kommunalt reningsverk för avloppsvatten (i Rotterdam ) och två för industriavlopp. Den ena är ett garveri, den andra en potatisbearbetningsanläggning. [ citat behövs ]
Fördelar
Konventionell kväveborttagning från ammoniumrikt avloppsvatten sker i två separata steg: nitrifikation, som förmedlas av aeroba ammoniak- och nitritoxiderande bakterier och denitrifiering utförd av denitrifierare, som reducerar nitrat till N 2 med tillförsel av lämpliga
elektrondonatorer . Luftning och tillförsel av organiska substrat (typiskt metanol) visar att dessa två processer är:
- Mycket energikrävande.
- Förknippas med produktion av överskottsslam.
- Producerar betydande mängder växthusgaser som CO 2 och N
2 O och ozonnedbrytande NO.
Eftersom anammox-bakterier omvandlar ammonium och nitrit direkt till N
2 anaerobt, kräver denna process inte luftning och andra elektrondonatorer. Ändå krävs fortfarande syre för produktionen av nitrit av ammoniakoxiderande bakterier. I system med partiell nitritation/anammox minskar dock syrebehovet avsevärt eftersom endast hälften av ammoniumet behöver oxideras till nitrit istället för full omvandling till nitrat. Den autotrofa karaktären hos anammoxbakterier och ammoniakoxiderande bakterier garanterar låg avkastning och därmed mindre slamproduktion. Dessutom bildar anammox-bakterier lätt stabil självaggregerad biofilm (granulat) vilket möjliggör tillförlitlig drift av kompakta system som kännetecknas av hög biomassakoncentration och omvandlingshastighet upp till 5–10 kg Nm- 3 . Sammantaget har det visat sig att effektiv tillämpning av anammox-processen vid rening av avloppsvatten resulterar i en kostnadsreduktion på upp till 60 % samt lägre CO 2 -utsläpp .
Nackdelar
Fördubblingstiden är långsam, mellan 10 dagar till 2 veckor. Detta gör det svårt att odla tillräckligt med slam för en avloppsreaktor. Även återhämtningstiden efter slamförlust av misstag är längre än i konventionella kväveavskiljningssystem. Å andra sidan är denna långsamma tillväxttakt en fördel på grund av minskningen av överskottsslam som behöver avlägsnas och behandlas. Beroende på den exakta arten är den optimala pH-nivån 8. Därför kan det vara nödvändigt att justera pH i avloppsvattnet genom att tillsätta kaustik.