Controllo della speciazione di anammox e della strategia di attacco del biofilm utilizzando N

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21720 (2022) Citare questo articolo

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La rimozione convenzionale dell'azoto nel trattamento delle acque reflue richiede un elevato apporto di ossigeno ed energia. L'ossidazione anaerobica dell'ammonio (anammox), la conversione in un unico passaggio di ammonio e nitrito in azoto gassoso, è un'alternativa più economica ed energetica applicata ampiamente al trattamento delle acque reflue sidestream. Sarebbe anche un’opzione terapeutica tradizionale se la diversità delle specie e la fisiologia fossero comprese meglio. I batteri Anammox sono stati arricchiti fino all'80%, 90% e 50% in abbondanza relativa, da un singolo inoculo, in condizioni di arricchimento standard con aumenti graduali della concentrazione di nitriti e ammoniaca (R1), integrazione di ossido nitrico (R2) o carbonio organico complesso rispettivamente dalle acque reflue tradizionali (R3). Candidatus Brocadia caroliniensis predominava in tutti i reattori, ma uno spostamento verso Ca. Brocadia sinica si è verificata a concentrazioni di ammonio e nitrito > 270 mg di NH4–NL−1 e 340 mg di NO2–NL−1 rispettivamente. Con NO presente, la crescita eterotrofa era inibita e Ca. Jettenia coesisteva con Ca. B. caroliniensis prima di diminuire quando il nitrito aumentava a 160 mg NO2–NL−1. L'integrazione di carbonio organico ha portato all'emergere di comunità eterotrofe che coevolvono con Ca. B. caroliniensis. Circa. B. caroliniensis e Ca. Jettenia formava preferenzialmente biofilm sulle superfici, mentre Ca. Brocadia sinica formava granuli in sospensione. I nostri risultati indicano che più specie di batteri anammox coesistono e occupano sotto-nicchie nei reattori anammox e che la popolazione dominante può essere spostata in modo reversibile, ad esempio, modificando il carico di azoto (cioè un'elevata concentrazione di nitriti favorisce Ca. Brocadia caroliniensis). La speciazione ha implicazioni per la progettazione del processo delle acque reflue, in cui la strategia ottimale di immobilizzazione cellulare (ad esempio trasportatori vs granuli) dipende da quale specie domina.

L'ossidazione anaerobica dell'ammonio (anammox), combinata con la nitritazione parziale, viene ampiamente applicata per trattare le acque reflue ricche di azoto e carenti di carbonio (ad esempio, trattamento sidestream) grazie al significativo risparmio energetico rispetto ai processi convenzionali. È stato proposto anche come opzione di trattamento sostenibile per il trattamento delle acque reflue urbane (vale a dire il trattamento tradizionale). Diciannove specie di batteri Candidatus Anammox sono state identificate in vari ambienti, comprese zone marine subossiche, sedimenti costieri, laghi e impianti di trattamento delle acque reflue. Questi sono stati classificati in cinque generi Candidatus1,2,3 e, sebbene i batteri anammox possano colonizzare diversi sistemi naturali e ingegnerizzati, generi diversi raramente coesistono nello stesso habitat4. Si ritiene che le differenze nei tassi di crescita, nelle affinità dei substrati, nella sensibilità ai composti inibitori, nei substrati di crescita preferiti e nelle vie metaboliche differenziali contribuiscano alla specializzazione di nicchia1,5,6,7,8,9,10.

Sono stati segnalati spostamenti di popolazione a livello di specie e di genere nei reattori anammox su scala di laboratorio in varie condizioni9,10,11. Durante l'ampliamento del primo reattore commerciale anammox su vasta scala, la popolazione dominante si è spostata da Ca. Kunenia stuttgartiensis a Ca. Brocadia anammoxidans, sebbene non siano state fornite le ragioni di ciò12. Gli studi hanno riportato che condizioni ambientali specifiche nei reattori di nitritazione parziale/anammox (PN/A) possono selezionare solo singole specie di batteri anammox11,13. Ad esempio, Ca. Jettenia moscovienalis2, Ca. B. caroliniensis14 e Ca. B. sinica13 sono stati rilevati in distinti reattori sidestream che trattavano liquori di digestione anaerobica, mentre Ca. Brocadia. sp. 40 è stato identificato come il batterio anammox dominante nelle condizioni tradizionali15. Park et al.11 hanno dimostrato che la composizione del mangime è più importante nella selezione dei batteri anammox rispetto alla configurazione dell'inoculo e del reattore. Tuttavia, non esiste un consenso apparente su quali fattori selezionino una specie di batteri anammox rispetto a un’altra.

5% at any analysed time point) can be found in Supplementary Fig. S1, Supporting Information./p> 200 mg N L-1 (Fig. 1A,B). The microbial communities of R1 and R2 at different levels of N level showed relative strong dissimilarity (R = 0.48 and 0.57, respectively, with p = 0.001 for both). The microbial community at high N load period, on the other hand, was not highly differentiated (R = 0.29, p = 0.003). Despite the increase in relative abundance of multiple OTUs affiliated to anammox bacteria in both R1 and R2, a single OTU annotated to Ca. Brocadia, identified as Ca. B. caroliniensis by clone library analysis (Fig. 2), dominated throughout the first 120 days of reactor operation. Ca. B. caroliniensis increased during enrichment to 50% relative abundance in R1 and R2. However, a further increase in influent ammonium and nitrite concentrations beyond 220 mg N L−1 from day 100 (N loading rate of 500 mg N L−1-day−1 for R1 and 750 mg N L−1-day−1 for R2) resulted in the gradual increase of Ca. Brocadia_2, identified as Ca. B. sinica by clone library analysis (Fig. 2)./p> 0.8, p < 0.001). While the relative abundance of non-anammox bacteria was reduced in the presence of NO, the same correlation was nonetheless observed in R2. However, in R3, the non-anammox bacteria community was replaced by OTUs affiliated to unclassified Comamonadaceae (phylum Proteobacteria) and unclassified Bacteroidetes and a negative correlation was observed between unclassified Bacteroidetes and Ca. B. caroliniensis (Spearman's rho: − 0.7, p < 0.001). Notably, taxa affiliated to the Comamonadaceae family were nearly absent in R1 and R2, while they remained the dominant heterotrophic community in biomass both attached to the reactor wall and in suspension in R3, perhaps suggesting that these taxa have metabolic interactions with Ca. B. caroliniensis and play a role in biofilm formation (Supplementary Fig. S3)./p> 20 days)./p>