Как анаммокс-бактерии находят свою цель ""

Как анаммокс-бактерии находят свою цель

Свойства новых анаммокс-бактерий

  • Алексей Жарков, инженер;
  • Марина Кевбрина, кандидат биологических наук, начальник;
  • Елена Казакова, кандидат технических наук, главный специалист;
  • Александр Дорофеев, кандидат биологических наук, главный специалист;
  • Вера Асеева, кандидат биологических наук, ведущий инженер;
  • Юрий Николаев, доктор биологических наук, руководитель группы.
  • КО ИТЦ (Курьяновское отделение Инженерно-технологического центра) ОАО «Мосводоканал»

В ходе проведенных исследований разработана новая однореакторная модификация технологии Анаммокс, отличающаяся от ранее известных способом удержания биомассы в реакторе. Эффективность удаления азота в реакторе достигала 85% при нагрузке по азоту на ил до 1,1 г N/г БВ в сутки и объемной нагрузке 0,62 кг N/м3•сут. Однореакторная система процесса анаммокс имеет в 10 раз большую объемную эффективность по сравнению с двухреакторной системой исследованной в ОАО «Мосводоканал» ранее, а также отличается более высокой стабильностью очистки. Культивирован обладающий высокой удельной активностью активный ил, содержащий ранее неизвестные анаммокс-бактерии.

Для очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации аммония и низкие – органического вещества, применяют процесс автотрофного аноксидного окисления аммония – Анаммокс. Технология на основе автотрофного удаления азота представляет собой комбинацию двух процессов: частичной нитрификации, в ходе которой половина аммония окисляется до нитрита, и собственно аноксидного окисления аммония нитритом. Работы по исследованию процесса Анаммокс в ОАО «Мосводоканал» проводятся с 2006 года. Были проведены пилотные исследования процесса аноксидного окисления аммония очистки возвратных потоков в двухреакторной установке [2]. Эффективность удаления аммонийного азота составляла 90%, удельная скорость удаления аммонийного азота – 0,8-1N/г БВ в сутки. Несмотря на высокие показатели работы пилотной установки, у нее был обнаружен недостаток – нестабильность работы первого реактора, где осуществлялась частичная нитрификация аммонийного азота до нитрита. Более стабильно функционируют однореакторные схемы. Таких схем известно несколько: Demon, Canon, Oland и другие. Целью работы было исследовать возможность проведения процесса Анаммокс по однореакторной схеме [4]

В основе технологической схемы находится реактор периодического действия (SBR-реактор объемом 0,35 м3), который инокулирован активным илом сооружений биологической очистки старого блока Курьяновских очистных сооружений (КОС). В реактор подавали фильтрат ленточных сгустителей сброженного осадка. В реакторе поддерживали температуру 30°С, концентрацию кислорода – 0,05-1,4 мг/л; гидравлическое время пребывания – 8,5-9,3 ч. Возраст ила поддерживали в пределах 4_6 суток, дозу ила – 2,5-5 г/л. Для всех реакторов анаммокс существенной проблемой является удержание биомассы. Решение данной проблемы возможно путем удаления взвешенных веществ из поступающей воды, использования загрузки и гидроциклона [5]. В настоящей работе биомассу анаммокс удерживали за счет образования флотационной пены и частично за счет адгезии биомассы на внутренней поверхности реактора.

Рис. 1. Схема полупромышленной однореакторной установки анаммокс

Условные обозначения: Е-приемная емкость исходного субстрата; Р –реактор анаммокс; К – компрессор; ВН – водонагреватель; Н-1, Н-2, Н-3, Н-4 – насосы шнековые.

Исследования проводили в несколько этапов (рис. 2): 1 – подбор условий работы реактора, наращивание биомассы анаммокс; 2-5 – оптимизация режима при инокуляции нитрифицирующим илом; 6 – выход на режим при инокуляции активным илом КОС, содержащим бактерий-нитрификаторов и минимальные количества биомассы анаммокс. С момента запуска установки, инокулированной активным илом КОС (первый этап), значимое удаление азота было отмечено со 170-го дня, устойчивое удаление азота началось с 262-го дня (этап 2) (рис. 2). Этапы работы полупромышленной установки со 2-го по 5-й, с инокуляцией реактора биомассой активного ила, полученной на предыдущем этапе работы и с добавлением свежего нитрифицирующего ила КОС, были проведены с целью определения периода выхода на режим при сохранении биомассы анаммокс. В среднем он составил 100 сут., при наблюдаемом увеличении активности биомассы анаммокс. Константа скорости роста микроорганизмов анаммокс была определена по возрастанию скорости удаления азота в реакторе (которая пропорциональна количеству активных анаммокс-бактерий) в период 870-990 сутки (рис. 2 и 3). Эта величина составляет 0,02 сут-1, что соответствует времени удвоения 31 сут. Рассчитанная константа скорости роста соответствует константе, полученной для анаммокс-бактерий реактора аноксидного окисления аммония в двухреакторной системе [2]. При наличии минимального детектируемого количества биомассы, содержащей бактерии анаммокс, удаление азота эффективностью 40% наблюдается через 50 суток после запуска установки (рис. 3)

Рис. 2. Динамика эффективности удаления азота в ходе серии исследований. Вертикальными чертами разделены шесть периодов исследования: в эти моменты в реактор добавляли свежий нитрифицирующий ил КОС

Рис. 3. Удаление азота после инокуляции новым активным илом, 6-й этап исследований.

После выхода реактора на режим наблюдали высокое качество очистки фильтрата (таблица 1): взвешенные вещества удалялись на 92%, ХПК – на 78%, БПК5 – на 78%, азот – 85%. Нагрузка по азоту в однореакторной системе в среднем составила 1,1 г N/г БВ•сут. или 620 г N/м3•сут. (максимальная – до 1,6 г N/г БВ•сут или 915 г N/м3•сут). Эффективность удаления азота составила 70% в среднем (в отдельные периоды эффективность удаления достигала 85%). Удельная скорость удаления азота составила до 0,82 г N/г БВ•сут. или 0,47 кг N/м3 сут. Время выхода на стабильный режим работы составило 100 сут. Удельная нагрузка по азоту – 1,1 г N/г БВ•сут., эффективность удаления азота – 70-85%. Удельная скорость удаления азота – до 0,82 г N/г БВ•сут. Качество очищенного фильтрата: N-NH4 – 30-35 мг/л, N-NО2 – 10-13 мг/л, N-NО3 – до 5 мг/л. (таблица 1)

Сливная вода сооружений ОС (мг/л)

Очищенная вода на выходе из реактора (мг/л)

Аммонийный датчик анаммокс-бактерии

  • 555
  • 0,5
  • 2

Модель белка Ks-Amt5 состоит из двух частей: одна (Amt) пронизывает мембрану клетки насквозь и выполняет функции рецептора, вторая (HK) находится внутри клетки и передает сигнал в клетку.

Авторы
Редакторы

Ученым из Института математических проблем биологии РАН совместно с коллегами из Германии и Нидерландов удалось установить структуру необычной сигнальной системы недавно открытых анаммокс-бактерий. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications [1].

Анаммокс-бактерии открыли в самом конце XX века [2]. Их отнесли к типу Planctomycetes, то есть к грамотрицательным бактериям со специфической системой замкнутых внутренних мембран. Название же «анаммокс» добавили потому, что они осуществляют анаэробное окисление аммония [3]. Для этого микроорганизмам не требуется молекулярный кислород, а самого аммония в среде может быть совсем немного.

Анаммокс-бактерии — это группа микроорганизмов с уникальными морфологическими, физиологическими и биохимическими свойствами. Большинство известных планктомицетов аэробны, однако анаммокс-бактерии — анаэробы, и получают энергию за счет окисления аммония в условиях отсутствия кислорода. Что интересно, промежуточным продуктом является гидразин — вещество ракетного топлива, ядовитое для большинства организмов. В качестве источника углерода для роста эти бактерии используют диоксид углерода СО2 и являются, таким образом, автотрофными микроорганизмами, растущими исключительно на неорганике [4]. В их клетках всегда содержится единственная аннамоксосома — окруженный мембраной компартмент, в котором и происходит процесс анаммокса. Кроме того, в состав их мембран входят особые ладдерановые липиды, обнаруженные лишь у этих организмов. До 30% всех белков в клетках, осуществляющих анаммокс, — это белки типа цитохрома с. К их числу относятся и ферменты ключевых катаболических реакций анаммокса. Они придают клеткам характерный красный цвет (рис. 1).

Рисунок 1. Культура анаммокс-бактерий, открытых в XX веке. Красный цвет клеткам придают ферменты, принимающие участие в процесса анаммокса — анаэробного окисления аммония.

Так, анаммокс-бактерия вырабатывает метаболическую энергию, сочетая восстановление нитрита (NO 2− ) и окисление аммония (NH4 + ). Конечными продуктами являются вода и молекулярный азот [5]:

Раньше считалось, что планктомицеты имеют ограниченное экологическое значение. Но сейчас молекулярная микробная экология доказала, что эти бактерии распространены повсеместно и составляют значительную часть естественной популяции бактерий [6]. Очень важным следствием открытия процесса анаммокса и его последующего изучения является создание новых технологий очищения сточных вод c высоким содержанием аммония и почти без органики.

Что такое анаммокс?

Анаммокс — анаэробное окисление аммония. Процесс широко распространен в природе, и благодаря ему образуется основная часть атмосферного азота. В морских экосистемах анаммокс-бактерии способствуют биологическому круговороту азота, будучи ответственными по меньшей мере за 50% производства азота в океане. Кроме того, эти микроорганизмы обнаружены в различных пресноводных экосистемах, включая горячие источники. В природе анаммокс может функционировать параллельно с денитрификацией. Эти процессы способны взаимодействовать, и тот или другой может доминировать в зависимости от меняющихся условий внешней среды [4].

Где у анаммокс-бактерии нос?

Международная группа ученых, в которую входили биоинформатики из Института математических проблем биологии РАН, задалась вопросом: как же бактерия находит аммоний в окружающей среде? Ранее анализ генома микроорганизма Candidatus Kuenenia stuttgartiensis привел к обнаружению необычной молекулы из семейства аммиачных белков Amt/Rh, которая получила название Ks-Amt5 [7]. Последовательность аминокислот этого белка содержала необычную комбинацию двух доменов. Первая часть была похожа на мембранные белки, осуществляющие транспорт ионов аммония внутрь клетки. Вторая часть напоминала белки гистидинкиназы, часто присутствующие в системах передачи сигнала из наружной среды в клетку. Слияния транспортных белков с другими доменами обнаруживали и ранее, но их роль в клетке оставалась невыясненной. Высокая конформационная подвижность этих модульных белков создавала серьезное препятствие для определения пространственной структуры.

Читать еще:  Анализ крови на остеокальцин: как сдавать и особенности проведения

Исследователи предположили, что в Ks-Amt5 два строительных блока, уже существующих в природе, соединены для обеспечения совершенно новой функциональности — обнаружения аммония в окружающей среде и последующей передачи этой информации внутрь клетки. Ученые из Института математических проблем биологии РАН с коллегами из Университета Фрайбурга (Германия), Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гамбурге (Германия) и Университета Неймегена (Нидерланды) определили пространственную структуру белка Ks-Amt5 и установили его роль в жизнедеятельности клетки, подтвердив предположение (рис. 2) [1].

Рисунок 2. Структура белка Ks-Amt5. а — Карта электронной плотности, показывающая слои кристаллов типа I, с высокоразрешающей структурой домена Аmt. б — Вид сверху. Карта плотности электронов лучше разрешена для домена Аmt, который определяет упаковку кристалла, тогда как гистидинкиназный домен выглядит беспорядочно и находится между соседними доменами Аmt. в — Вид сверху полноразмерного Ks-Amt5 в синтезе взвешенной электронной плотности при разрешении 8 Å, очерченном на уровне 1σ. г — Вид снизу на домен HK. д — Синтез электронной плотности Ks-Amt5 с низким разрешением, наложенный на трехмерную структуру высокого разрешения домена Amt. е — Гипотетическая, расширенная компоновка датчика-преобразователя в мембране, показывающая структуру домена Amt, связанного с моделью гомологии для HK-домена в произвольной расширенной конформации. Домены HK структурно гибки в цитоплазме, а их конформация в растворе не идентична той, которая наблюдается в кристаллической решетке.

Оказалось, что, несмотря на схожесть с транспортными белками, трансмембранная часть Ks-Amt5 не способна транспортировать ионы аммония, но имеет центры их связывания. Связывание поступившего из внешней среды иона в таком центре вызывает конформационные изменения трансмембранной части белка, передающиеся на внутриклеточную гистидинкиназную часть и способствующие фосфорилированию гистидина. Это и является сигналом о присутствии аммония во внешней среде. Данный механизм позволяет транслировать внеклеточные стимулы внутрь клетки. Далее они переводятся в адекватный клеточный ответ и быструю адаптацию к изменениям окружающей среды [8]. Также исследователи установили, что присутствие вне клетки аммония даже в очень небольших концентрациях повышает скорость фосфорилирования, которая, однако, снижается при чрезмерном увеличении количества аммония вне клетки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications [1].

Математический подход

«Для изучения структуры была проведена кристаллизация белка. Но полученные кристаллы не позволили определить положение и структуру киназной части системы стандартными методами биологической кристаллографии, — рассказывает Владимир Лунин, руководитель лаборатории кристаллографии макромолекул ИМПБ РАН. — Проблему удалось решить, применив разработанные в нашей лаборатории математические подходы к работе с недостаточно упорядоченными кристаллами».

Пространственную структуру белка можно определить, изучая рассеяние рентгеновских лучей молекулами исследуемого белка. О сути методик структурной биологии мы уже рассказывали в статье «12 методов в картинках: структурная биология» [9]. Интенсивность рассеянных волн очень мала, и их трудно зарегистрировать. Однако если уложить молекулы в кристаллическую решетку, то интенсивность изначально слабых рассеянных лучей резко увеличивается. Чем больше волн, рассеянных в разных направлениях, удалось зарегистрировать, тем более тонкие детали структуры можно определить. Количество экспериментальных данных и детальность определения структуры характеризуется разрешением — размером минимальных различаемых деталей структуры.

Получение кристаллов исследуемого белка — центральная проблема в применении этого метода исследования. Особенно большие сложности возникают при попытке кристаллизации систем, состоящих из нескольких гибко сочлененных частей, как, например, у анаммокс-бактерии. В таком случае отдельные экземпляры молекулы могут оказаться в кристалле в разных конформациях, что выливается в «размывание» картины на картах электронной плотности. На полученных методом молекулярного замещения картах электронной плотности разрешения около 2 Å отчетливо проявилась трансмембранная часть белка, в то время как киназная часть была невидима.

Для стабилизации белка предприняли попытку кристаллизации его комплекса с ингибитором Ro протеинкиназы С. Это привело к частичному успеху: качество кристаллов позволяло получить лишь набор экспериментальных данных, ограниченный разрешением 8 Å. Столь низкое разрешение не позволило локализовать киназную часть структуры стандартными кристаллографическими подходами. Проблему удалось решить, применив специальные подходы, разработанные в Институте математических проблем биологии РАН для работы с наборами экспериментальных данных низкого разрешения.

Карту распределения электронной плотности в белке можно рассчитать как сумму синусоидальных волн (гармоник Фурье). При этом амплитуды волн могут быть измерены в эксперименте, а фазовые сдвиги остаются неизвестными. Определение значений фаз является центральной проблемой при расшифровке структуры. Обычно, для решения этой проблемы используют либо дополнительные эксперименты с другими длинами волн рентгеновского излучения (многоволновое аномальное рассеяние) или модифицированными белками (метод изоморфного замещения), либо используют информацию об известной структуре гомологичных белков (метод молекулярного замещения). Эти подходы позволили определить структуры многих тысяч белков, но иногда они дают сбой, если набор экспериментальных данных слишком мал (не обладает достаточным разрешением). Для таких случаев в ИМПБ РАН разработаны так называемые ab initio подходы, не требующие дополнительных экспериментов или наличия гомолога. Они пока не позволяют получить столь же детальные карты электронной плотности, как стандартные методы, однако дают возможность определить локализацию и внешние очертания исследуемых объектов, используя лишь данные низкого разрешения (рис. 3).

Рисунок 3. Ab initio определенная карта распределения электронной плотности разрешения 8 Å для ингибированного белка Ks-Amt5 c вписанной моделью белка

В примененном подходе для исследования ингибированного белка Ks-Amt5 сначала с помощью суперкомпьютеров рассчитываются миллионы гипотетических распределений электронной плотности, построенных с использованием экспериментально измеренных амплитуд волн и случайно выбранных значений фаз. Полученные распределения анализируются компьютером, и из всего множества отбирается сравнительно небольшое количество карт, похожих на настоящие карты электронной плотности в белках. Центральная проблема метода — выбор критериев «похожести» случайных карт на те, которые встречаются в белках в реальности. В проведенном исследовании в качестве такого критерия применялись свойства связности областей высокой электронной плотности в реальных структурах белков. Использование критерия связности дает возможность отобрать среди сгенерированных карт те, при расчете которых использовались значения фаз, близкие к правильным. Выравнивание и усреднение отобранных карт позволяет получить более четкое изображение объекта, нежели на отдельных отобранных картах.

Что же дальше?

Азот является основным компонентом земной атмосферы, и анаммокс — один из ключевых микробных процессов в его круговороте. Его считают основным фактором, способствующим очистке окружающей среды от реактивного азота, а это просто необходимо при чрезмерном использовании азотных удобрений в промышленном сельском хозяйстве. Теперь, зная работу сигнальной системы анаммокс-бактерий, ее можно лучше использовать в экологических целях: более эффективно регулировать переработку аммония, например, при промышленной очистке сточных вод от азотных загрязнений.

Аэробно-анаэробное удаление азота: процесс анаммокс — анаэробное окисление аммония нитритом

В отсутствие или при недостатке органических веществ на анаэробной ступени процесса удаление азота может происходить за счет процесса анаммокс. Бактерии anamnnox в анаэробных условиях окисляют аммоний нитритом и в качестве источника углерода используют углекислоту или бикарбонат-ион. Две ступени процесса удаления аммония в процессе анаммокс (нитрификация и собственно анаммокс) описываются следующими суммарными уравнениями:

Процесс анаммокс активен в интервале температур от 6 до 43° С с оптимумом при 20…30 °С. Диапазон рН = 6,7…8,3, оптимум наблюдается при рН 7…8. Концентрации аммония и нитратов до 100 мМ не препятствуют процессу. Раньше считалось, что ему препятствуют концентрации нитритов, превышающие 20 мМ, и когда концентрация нитритов составляет более 50 мМ, в течение 12 ч деятельность бактерий anammox полностью утрачивается. Активность аннаммокс-бактерий может быть восстановлена путем добавления гидразина или гидроксиламина в небольших количествах (50 мкм). Более того, в настоящее время разработаны и действуют технологии очистки стоков с высоким содержанием аммония и нитрита.

Процесс анаммокс широко распространен в природе. В результате его действия образуется основная часть атмосферного азота. В морских экосистемах, бактерии anammox активно способствуют биологическому круговороту азота, будучи ответственными по меньшей мере за 50% от общего объема производства азота в океане. Бактерии anammox обнаружены в различных пресноводных экосистемах, включая горячие источники. В природных экосистемах процесс анаммокс может функционировать параллельно с процессом денитрификации. Эти процессы могут взаимодействовать, и тот или другой может доминировать в зависимости от меняющихся условий внешней среды. Такое же сочетание этих процессов может происходить и при очистке воды. Превалирование того или иного процесса зависит от присутствия или отсутствия органических соединений и нитрита. Для удержания медленнорастущих анаммокс-бактерий в системе важную роль играет применение твердых носителей для иммобилизации активного ила. В частности, примененные на КОС БХ-ЭКОС ерши являются наиболее приближенной к природным условиям моделью водной растительности.

Бактерии anammox (анаммокс-бактерии, анаммокс-планктомицеты, бактерии анаммокс) были открыты в начале 1990-х гг. Они принадлежат к нескольким новым родам бактерий: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Scalindula. Все они относятся к планктомицетам (Planktomyces), представляющим отдельную филогенетическую ветвь домена Bacteria. Они представляют группу микроорганизмов с уникальными морфологическими, физиологическими и биохимическими свойствами. Большинство известных планктомицетов — аэробные бактерии. Бактерии anamnnox — анаэробы, они получают энергию за счет анаэробного окисления аммония в биохимическом процессе окисления иона аммония нитрит-анионом с образованием гидразина в качестве промежуточного продукта. В качестве источника углерода для роста эти бактерии используют диоксид углерода (углекислоту, СО2) и являются, таким образом, автотрофными микроорганизмами, которые для роста не нуждаются в органических веществах и синтезируют их из неорганических соединений. В очищенной культуре они растут чрезвычайно медленно, время удвоения, т.е. деления клетки, составляет не менее 10 суток. Поэтому для удержания этих бактерий в системах очистки целесообразна их иммобилизация на твердых структурированных или дисперсных носителях.

Читать еще:  Рентген кисти и запястья: показания и виды диагностики

Анаммокс-бактерии относятся к царству Bacteria, отделу Planctomycetes, порядку Planсtomycetales, являются грамположительными организмами. В отличие от остальных членов порядка Planсtomycetales, являющихся гетероорганотрофами, анаммокс-бактерии — анаэробные хемолитотрофы. Анаммокс-бактерии получают энергию за счет окисления аммония и используют в качестве источника углерода в процессе конструктивного метаболизма углекислый газ.

Анаммокс-бактерии обладают рядом особенностей. Клетки анаммокс-бактерий имеют кокковидную или нерегулярно изрезанную форму, диаметр клеток составляет около 1 мкм. Как у всех планктомицетов, у анаммокс-бактерий есть кратерообразные структуры на поверхности клетки, в клеточной стенке отсутствует пептидогликан, присутствие внутриклеточной вакуоли анаммоксосомы является уникальным. Анаммокс-бактерии, как и все планктомицеты, имеют белковую клеточную стенку и дифференцированную цитоплазму. У них есть две мембраны с внутренней стороны клеточной стенки, и нет мембраны с ее внешней стороны. Цитоплазматическая мембрана располагается близко к клеточной стенке и окружает область цитоплазмы, не содержащую РНК, — парифоплазму. Внутренняя мембрана ограничивает парифоплазму с другой стороны. Внутри области, ограниченной внутренней мембраной, находится рибоплазма (область цитоплазмы, содержащая большое количество рибосомных частиц) и клеточная органелла, окруженная единичной двухслойной мембраной — анаммоксосома. Это уникальная органнелла не встречаетсяни в одном известном на сегодняшний день организме. Она занимает 50–70% объема клетки, и именно в анаммоксосоме протекает окисление аммония нитритом.

В рибоплазме содержится клеточная РНК и ДНК. Таким образом, цитоплазма в анаммокс-бактериях разделяется на три отдела, разделенных одиночными бислойными мембранами: парифоплазму, рибоплазму и анаммоксосому (рис. 1). В мембране, окружающей анаммоксосому, присутствуют латеральные липиды, имеющие ступенчатую структуру и обладающие высокой прочность. Мембрана анаммоксомы позволяет поддерживать градиент концентраций, создающийся в процессе анаммокс-реакции, при этом уменьшая энергетические потери клетки, а также предотвращая проникновение токсичного интермедиата (гидразина — природного аналога ракетного топлива) в рибоплазму.

Рис. 1 Схематическое изображение бактериальной анаммокс-клетки

Биомасса анаммокс-бактерий имеет красноватую окраску благодаря высокому содержанию гемов (геминов) в гидрозиноксидоредуктазе и в цитохромах К настоящему времени описаны 5 родов и более 10 видов анаммокс-бактерий, являющихся накопительными культурами с высокой степенью очистки и имеющих статус кандидатов новых видов бактерий.

Открытие процесса анаммокс дало мощный толчок для развития новых технологий удаления азота из сточных вод, характеризующихся высоким содержанием аммония и низким содержанием органики. Использование процесса анаммокс при очистке фильтационных вод полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), иловой воды метантенков, стоков пищевой промышленности и других позволило исключить стадию денитрификации и значительно уменьшить стоимость аэробной нитрификации.

Технологический аспект деятельности анаммокс-бактерий к настоящему времени изучен достаточно хорошо. Технологии на основе процесса анаммокс являются экономически эффективными и энергосберегающими и имеют большой потенциал в очистке сточных вод, богатых аммонием. Длительное время пуска анаммокс-реакторов серьезно ограничивает применение процесса, но этот недостаток можно устранить путем инокуляции илами, предварительно обогащенными анаммокс-бактериями, использованием реакторов с эффективным удерживанием биомассы, регулировкой баланса питательных веществ и физических параметров. Сегодня применение процесса анаммокс в основном ограничивается несколькими типами сточных вод с высоким содержанием аммония, такими как стоки после анаэробной обработки пищевых или богатых белком сточных вод, фильтраты полигонов ТБО, иловый шлам, иловые воды метантенков, сточные воды животноводческих комплексов.

В настоящее время получили и распространение различные технологии удаления азота из стоков с применением этого процесса, а именно Sharon-anammox, Canon, Deamox. Разработка и использование технологического процесса БХ-ЭКОС открывает перспективу его использования для обработки бытовых сточных вод. Широкое применение процесса анаммокс в промышленных масштабах зависит от доступности достаточного количества посевного материала для пуска новых анаммокс-реакторов. Для каждого типа стоков необходимо также добиться адаптации обогащенной анаммокс-бактериями биомассы к специфическим органическим и неорганическим загрязнениям. Выделение и изучение анаммокс-бактерий важно для дальнейшего развития и совершенствования процессов очистки сточных вод от азота.

Новая биотехнология очистки сточных вод с иммобилизацией активного микробного ила и эффективным удалением азота с участием анаммокс-бактерий

Актуальнейшая проблема чистой воды неразрывно связана с проблемой качественной очистки сточных вод. Классическая технология очистки с применением дисперсного активного ила, которая наиболее часто применяется на канализационных очистных сооружениях (КОС) как больших, так и малых населенных пунктов, имеет ряд существенных недостатков, таких как большие энергозатраты, образование аэрозолей, отчуждение больших площадей, и образование и утилизация больших количеств избыточного ила. На очистных станциях малых населенных пунктов, из-за неравномерной подачи сточных вод, нередко наблюдается вымывание и гибель микроорганизмов дисперсного активного ила. Серьезной проблемой является также недостаточная очистка сточных вод от азота и фосфора, которая вызывает эвтрофикацию водоемов, а попадание нитрита в питьевую воду вызывает онкологические заболевания.

Построенные в нашей стране по типовым проектам 60-80-х годов прошлого века очистные сооружения не были рассчитаны на глубокую очистку. Для очистки воды от соединений азота применяется процесс нитри- денитрификации. Образование молекулярного азота происходит также в результате недавно открытого процесса анаэробного окисления аммония нитритом (АНАММОКС), осуществляемого новыми неизвестными ранее автотрофными бактериями, первая из которых описана в 1999 году. Процесс анаммокс в настоящее время используется за рубежом для очистки специфических стоков с высоким содержанием азота. Сведения о его использовании для очистки сточных вод с низкой концентрацией загрязнений отсутствуют.

Ввиду ужесточения требований к очистке сточных вод во всем мире и в России, актуальной задачей является разработка и внедрение новых биотехнологий глубокой очистки сточных вод. Целью настоящей работы явились научное обоснование, разработка и реализация на практике новой биотехнологии очистки сточных вод с участием анаммокс-бактерий, имеющих большое сродство к азотным субстратам, что обеспечивает эффективное удаление азота. При этом очистные сооружения, на которых применена новая биотехнология, должны были быть компактными, экологически безопасными и экономичными в плане потребления энергии.

В статье суммируются результаты всех этапов разработки и внедрения новой биотехнологии, включая лабораторные исследования, опытно-промышленные испытания на пилотных установках, описание полномасштабных очистных сооружений, полученные экономический, экологический и социальный эффекты и перспективы развития.

Лабораторные исследования, опытно-промышленные испытания, и принципы новой технологии глубокой очистки сточных вод с эффективным удалением азота

Применение запатентованного носителя ЁРШ® («синтетические водоросли») для иммобилизации активного ила (Рис.1) и рецикла очищаемой воды в начало биологической очистки при реконструкции под руководством специалистов ЗАО «Компания «ЭКОС» станции очистки сточных вод ЦАО МО РФ в Красной Поляне позволило увеличить производительность станции с 800 до 2000 м³/сутки. При этом в 2 раза снизилось образование избыточного ила, и повысилась эффективность очистки сточных вод.

Рис. 1. ЁРШ® для иммобилизации активного ила.

Исследования микробного удаления органических соединений и азота на реконструированной станции, выполненные в ИНМИ РАН в при поддержке Минобрнауки (ГК № 02.740.11.0023), показали, что в биопленках иммобилизованного микробного ила даже в условиях активной аэрации анаэробы составляют не менее 10% от общего числа микроорганизмов, включая метаногенных архей и анаммокс-бактерий, осуществляющих процессы метаногенеза и анаммокс, соответственно (Рис. 2). Это объясняет уменьшение продукции избыточного ила и эффективное удаление азота.

Рис. 2. In situ гибридизация образца прикрепленного ила со специфичным для анаммокс-бактерий зондом Аmx368: фазовый контраст (а); микро-фотография гибридизации с зондом (б).

Возможность использования для глубокой очистки сточных вод от азота анаммокс-бактерий, имеющих большое сродство к используемым азотным субстратам, подтвердилась в ходе испытаний на пилотной установке на Центральных очистных сооружениях (ЦОС) г. Сочи (Рис. 3а). Отработку методов реагентной обработки и фильтрации проводили на мобильной пилотной установке ЗАО «Компания «ЭКОС» на очистных сооружениях предприятия ОАО «ЕвроХим-Белореченские Минудобрения» (Рис. 3б).

Рис. 3. Схема пилотной установки на ЦОС г. Сочи (а) и мобильная пилотная установка ЗАО «Компания ЭКОС» (б).

Результаты лабораторных исследований активности и микробного состава иммобилизованного активного ила, а также результаты опытно-промышленных испытаний на пилотных установках легли в основу проектирования новой серии полномасштабных блочно-модульных очистных станций заводской готовности «БХ» для очистки локальных сточных вод «сложного» для классической технологии очистки состава. Производительность станций — от 50 до 1000 м³ воды в сутки (Рис. 4).

Рис. 4. Общий вид станции ЁРШ®БХ, использующих биотехнологию очистки сточных вод, в вахтовом поселке строителей объектов Зимней Олимпиады 2014.
Читать еще:  Аспартам (е951): влияние на организм, применение

Основными особенностями новых станций ЁРШ®БХ, разработанных ЗАО «Компания «ЭКОС», являются:

  • Применение усреднителя, выравнивающего концентрации загрязнений и неравномерное поступление сточных вод;
  • Отсутствие первичного отстойника — сооружения требующего значительной площади для размещения и санитарно небезопасного;
  • Использование предобработки стока коагулянтами для осаждения взвешенных частиц, содержащихся в сточной воде;
  • Применение рецикла очищенной в аэротенке воды в денитрификатор, расположенный в начале биологической очистки (перед аэротенком);
  • Применение иммобилизации микроорганизмов активного ила на ёршовой насадке на всех ступенях биологической очистки;
  • Размещение очистных сооружений внутри помещения для обеспечения постоянного режима очистки, постоянной температуры и минимального воздействия на проживающих на небольшом удалении от станции людей.

В проточном реакторе исследованы условия активного роста анаммокс-бактерий из полномасштабных станций очистки, а также их морфология (Рис. 5а), физиологические особенности, филогения (Рис. 5б). Обнаружены новый вид анаммокс-бактерий с предварительным названием Сandidatus Jettenia ecosiae и новый штамм вида Сandidatus Jettenia asiatica.

Рис. 5. Электронная фотография микроколонии анаммокс-бактерий (а) и филогенетическое положение сходства по данным сиквенса 16S рРНК анаммокс-бактерий из проточного реактора (б).

Экономический, экологический и социальный эффекты

Ожидаемый первичный экологический эффект — снижение загрязнения водных объектов, восполнение рыбных ресурсов, сохранение эстетической ценности природной среды.

Ожидаемый конечный социальный эффект — снижение заболеваемости людей, повышение их работоспособности, улучшение условий и продолжительности жизни населения, благоприятное эстетическое восприятие населением комплекса очистных сооружений.

Проект Мегаполис®

Положительный опыт эксплуатации новых станций очистки производительностью м³/сутки позволил специалистам ЗАО «Компания «ЭКОС» подготовить технические решения для масштабирования новой биотехнологии и создания очистных станций большей производительности: от 5 до 60 тыс. м³/сут. Принципиальная особенность КОС, получивших название Мегаполис® — нулевой баланс отходов в окружающую природную среду, позволяющий сократить ширину санитарно-защитной зоны вокруг КОС до ширины транспортной магистрали, опоясывающей КОС. Первая станция Мегаполис® производительностью 20 тыс. м³/сутки прошла Государственную экспертизу и включена в план застройки микрорайона Центр-2 города Железнодорожный Московской области (Рис. 6). Сметная стоимость строительства почти в 2 раза меньше стоимости «классической» станции очистки. Сокращение санитарно-защитной зоны очистных сооружений обеспечит 7.7 га дополнительной площади под застройку и увеличит экономический эффект. Отечественных и зарубежных аналогов разработанной технологии не известно.

Аэробно-анаэробное удаление азота: процесс анаммокс — анаэробное окисление аммония нитритом

В отсутствие или при недостатке органических веществ на анаэробной ступени процесса удаление азота может происходить за счет процесса анаммокс. Бактерии anamnnox в анаэробных условиях окисляют аммоний нитритом и в качестве источника углерода используют углекислоту или бикарбонат-ион. Две ступени процесса удаления аммония в процессе анаммокс (нитрификация и собственно анаммокс) описываются следующими суммарными уравнениями:

Процесс анаммокс активен в интервале температур от 6 до 43° С с оптимумом при 20…30 °С. Диапазон рН = 6,7…8,3, оптимум наблюдается при рН 7…8. Концентрации аммония и нитратов до 100 мМ не препятствуют процессу. Раньше считалось, что ему препятствуют концентрации нитритов, превышающие 20 мМ, и когда концентрация нитритов составляет более 50 мМ, в течение 12 ч деятельность бактерий anammox полностью утрачивается. Активность аннаммокс-бактерий может быть восстановлена путем добавления гидразина или гидроксиламина в небольших количествах (50 мкм). Более того, в настоящее время разработаны и действуют технологии очистки стоков с высоким содержанием аммония и нитрита.

Процесс анаммокс широко распространен в природе. В результате его действия образуется основная часть атмосферного азота. В морских экосистемах, бактерии anammox активно способствуют биологическому круговороту азота, будучи ответственными по меньшей мере за 50% от общего объема производства азота в океане. Бактерии anammox обнаружены в различных пресноводных экосистемах, включая горячие источники. В природных экосистемах процесс анаммокс может функционировать параллельно с процессом денитрификации. Эти процессы могут взаимодействовать, и тот или другой может доминировать в зависимости от меняющихся условий внешней среды. Такое же сочетание этих процессов может происходить и при очистке воды. Превалирование того или иного процесса зависит от присутствия или отсутствия органических соединений и нитрита. Для удержания медленнорастущих анаммокс-бактерий в системе важную роль играет применение твердых носителей для иммобилизации активного ила. В частности, примененные на КОС БХ-ЭКОС ерши являются наиболее приближенной к природным условиям моделью водной растительности.

Бактерии anammox (анаммокс-бактерии, анаммокс-планктомицеты, бактерии анаммокс) были открыты в начале 1990-х гг. Они принадлежат к нескольким новым родам бактерий: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Scalindula. Все они относятся к планктомицетам (Planktomyces), представляющим отдельную филогенетическую ветвь домена Bacteria. Они представляют группу микроорганизмов с уникальными морфологическими, физиологическими и биохимическими свойствами. Большинство известных планктомицетов — аэробные бактерии. Бактерии anamnnox — анаэробы, они получают энергию за счет анаэробного окисления аммония в биохимическом процессе окисления иона аммония нитрит-анионом с образованием гидразина в качестве промежуточного продукта. В качестве источника углерода для роста эти бактерии используют диоксид углерода (углекислоту, СО2) и являются, таким образом, автотрофными микроорганизмами, которые для роста не нуждаются в органических веществах и синтезируют их из неорганических соединений. В очищенной культуре они растут чрезвычайно медленно, время удвоения, т.е. деления клетки, составляет не менее 10 суток. Поэтому для удержания этих бактерий в системах очистки целесообразна их иммобилизация на твердых структурированных или дисперсных носителях.

Анаммокс-бактерии относятся к царству Bacteria, отделу Planctomycetes, порядку Planсtomycetales, являются грамположительными организмами. В отличие от остальных членов порядка Planсtomycetales, являющихся гетероорганотрофами, анаммокс-бактерии — анаэробные хемолитотрофы. Анаммокс-бактерии получают энергию за счет окисления аммония и используют в качестве источника углерода в процессе конструктивного метаболизма углекислый газ.

Анаммокс-бактерии обладают рядом особенностей. Клетки анаммокс-бактерий имеют кокковидную или нерегулярно изрезанную форму, диаметр клеток составляет около 1 мкм. Как у всех планктомицетов, у анаммокс-бактерий есть кратерообразные структуры на поверхности клетки, в клеточной стенке отсутствует пептидогликан, присутствие внутриклеточной вакуоли анаммоксосомы является уникальным. Анаммокс-бактерии, как и все планктомицеты, имеют белковую клеточную стенку и дифференцированную цитоплазму. У них есть две мембраны с внутренней стороны клеточной стенки, и нет мембраны с ее внешней стороны. Цитоплазматическая мембрана располагается близко к клеточной стенке и окружает область цитоплазмы, не содержащую РНК, — парифоплазму. Внутренняя мембрана ограничивает парифоплазму с другой стороны. Внутри области, ограниченной внутренней мембраной, находится рибоплазма (область цитоплазмы, содержащая большое количество рибосомных частиц) и клеточная органелла, окруженная единичной двухслойной мембраной — анаммоксосома. Это уникальная органнелла не встречаетсяни в одном известном на сегодняшний день организме. Она занимает 50–70% объема клетки, и именно в анаммоксосоме протекает окисление аммония нитритом.

В рибоплазме содержится клеточная РНК и ДНК. Таким образом, цитоплазма в анаммокс-бактериях разделяется на три отдела, разделенных одиночными бислойными мембранами: парифоплазму, рибоплазму и анаммоксосому (рис. 1). В мембране, окружающей анаммоксосому, присутствуют латеральные липиды, имеющие ступенчатую структуру и обладающие высокой прочность. Мембрана анаммоксомы позволяет поддерживать градиент концентраций, создающийся в процессе анаммокс-реакции, при этом уменьшая энергетические потери клетки, а также предотвращая проникновение токсичного интермедиата (гидразина — природного аналога ракетного топлива) в рибоплазму.

Рис. 1 Схематическое изображение бактериальной анаммокс-клетки

Биомасса анаммокс-бактерий имеет красноватую окраску благодаря высокому содержанию гемов (геминов) в гидрозиноксидоредуктазе и в цитохромах К настоящему времени описаны 5 родов и более 10 видов анаммокс-бактерий, являющихся накопительными культурами с высокой степенью очистки и имеющих статус кандидатов новых видов бактерий.

Открытие процесса анаммокс дало мощный толчок для развития новых технологий удаления азота из сточных вод, характеризующихся высоким содержанием аммония и низким содержанием органики. Использование процесса анаммокс при очистке фильтационных вод полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), иловой воды метантенков, стоков пищевой промышленности и других позволило исключить стадию денитрификации и значительно уменьшить стоимость аэробной нитрификации.

Технологический аспект деятельности анаммокс-бактерий к настоящему времени изучен достаточно хорошо. Технологии на основе процесса анаммокс являются экономически эффективными и энергосберегающими и имеют большой потенциал в очистке сточных вод, богатых аммонием. Длительное время пуска анаммокс-реакторов серьезно ограничивает применение процесса, но этот недостаток можно устранить путем инокуляции илами, предварительно обогащенными анаммокс-бактериями, использованием реакторов с эффективным удерживанием биомассы, регулировкой баланса питательных веществ и физических параметров. Сегодня применение процесса анаммокс в основном ограничивается несколькими типами сточных вод с высоким содержанием аммония, такими как стоки после анаэробной обработки пищевых или богатых белком сточных вод, фильтраты полигонов ТБО, иловый шлам, иловые воды метантенков, сточные воды животноводческих комплексов.

В настоящее время получили и распространение различные технологии удаления азота из стоков с применением этого процесса, а именно Sharon-anammox, Canon, Deamox. Разработка и использование технологического процесса БХ-ЭКОС открывает перспективу его использования для обработки бытовых сточных вод. Широкое применение процесса анаммокс в промышленных масштабах зависит от доступности достаточного количества посевного материала для пуска новых анаммокс-реакторов. Для каждого типа стоков необходимо также добиться адаптации обогащенной анаммокс-бактериями биомассы к специфическим органическим и неорганическим загрязнениям. Выделение и изучение анаммокс-бактерий важно для дальнейшего развития и совершенствования процессов очистки сточных вод от азота.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector