Wykorzystanie archaea w bioaugmentacji osadu czynnego jako metody biologicznego usuwania związków azotu

Michał Polus,

Anna M. Anielak

Abstrakt

W pracy przebadano wpływ archeanów na proces oczyszczania ścieków w cyklicznych reaktorach biologicznych. Badania przeprowadzono w dwóch reaktorach typu SBR, z których jeden był poziomem odniesienia (oczyszczanie w warunkach klasycznych), a w drugim oczyszczano ścieki osadem czynnym poddanym bioaugmentacji archeanami, mikroorganizmami stanowiącymi trzecią domenę obok bakterii i eukariontów. Archeany były inkubowane w warunkach laboratoryjnych wg metody zalecanej przez ArchaeaSolutions, Inc. Badania wykazały, że adaptacja osadu czynnego do pracy w obecności archeanów wymaga dwa razy dłuższego czasu, niż zwykły osad czynny, zdolny do efektywnej nitryfikacji. Efektywność usuwania związków azotu i fosforu ze ścieków w obecności archeanów jest większa, a osad czynny szybciej sedymentuje. Wymagane stężenie tlenu w reaktorze z archeanami jest mniejsze niż w układzie klasycznym, co zmniejsza koszty eksploatacji oczyszczalni. Proces denitryfikacji jest znacznie skrócony i nie wymaga obecności azotanów(V).

Słowa kluczowe: archeany, usuwanie azotu, bioaugmentacja, SBR, Anammox
References

[1] You J., Das A., Dolan E.M., Hu Z., Ammonia-oxidizing Archaea involved in nitrogen removal, Water Res. 43, (7), 1801, 2009.

[2] Wakeham S.G., Lewis C.M., Hopmans E.C., Schouten S., Sinninghe Damsté J.S., Archaea mediate anaerobic oxidation of methane in deep euxinic waters of the Black Sea, Geochimica et Cosmochimica Acta. 67, (7), 1359, 2003.

[3] Francis C.A., Beman J.M., Kuypers M.M., New processes and players in the nitrogen cycle: the microbial ecology of anaerobic and archaeal ammonia oxidation, International Society for Microbial Ecology Journal (ISMEJ), 1, (1), 19, 2007.

[4] Sumino T., Isaka K., Ikuta H., Saiki Y., Yokota T., Nitrogen removal from wastewater using simultaneous nitrate reduction and anaerobic ammonium oxidation in single reactor, J. Biosci. Bioeng. 102, (4), 346, 2006.

[5] Ishikawa K., Mino K., Nakamura T., New function and application of the cysteine synthase from Archaea, Biochemical Engineering Journal, 48, 315, 2010.

[6] Hallam S.J., Putnam N., Preston C.M., Detter J.C., Rokhsar D., Richardson P.M., Delong E.F., Reverse methanogenesis: testing the hypothesis with environmental genomics, Science, 305, (5689), 1457, 2004.

[7] Hallam S.J., Girguis P.R., Preston C.M., Richardson P.M., Delong E.F., Identification of methyl coenzyme M reductase A (mcrA) genes associated with methane-oxidizing Archaea, Appl. Environ. Microbiol. 69, 5483, 2003.

[8] Shima S., Thauer R.K., Methyl-coenzyme M reductase and the anaerobic oxidation of methane in methanotrophic Archaea, Curr. Opin. Microbiol. 8, (6), 643, 2005.

[9] Cui Y.W., Ding J.R., Ji S.Y. Peng Y.Z., Start-up of halophilic nitrogen removal via nitrite from hypersaline wastewater by estuarine sediments in sequencing batch reactor, Int. J. Environ. Sci. Technol. 11, (2), 281, 2014.

[10] Park H.D., Wells G.F., Bae H., Criddle C.S., Francis C.A., Occurrence of ammoniaoxidizing
archaea in wastewater treatment plant bioreactors, Appl. Environ. Microbiol. 72, (8), 5643, 2006.

[11] Gray N.D., Miskin I.P., Kornilova O., Curtis T.P., Head I.M., Occurrence and activity of Archaea in aerated activated sludge wastewater treatment plants, Environ. Microbiol. 4, (3), 158, 2002.

[12] Anielak A.M., Polus M., Kinetics of the sewage treatment involvin an archaea-enriched system SBR, Przemysł Chemiczny, 94/9, 1485–1487, 2015.

[13] Anielak A.M., Żaba T., Polus M., Beńko P., Bochnia T., Łuszczek B., The effectiveness of muncipal sewage treatment with archaea in sequence biological reactors and Bardenpho systems, Przemysł Chemiczny. 95/2, 314–319, 2016.

[14] Limpiyakorn T., Sonthiphand P., Rongsayamanont C., Polprasert C., Abundance of amoAgenes of ammonia-oxidizing archaea and bacteria in activated sludge of full-scale wastewater treatment plants, Bioresour Technol. 102, (4), 3694, 2011.

[15] Oishi R., Hirooka K., Otawa K., Tada C., Nakai Y., Ammonia-oxidizing Archaea in laboratory-scale activated sludge systems for wastewater of low- or high-ammonium concentration, Anim Sci J. 83, (7), 571, 2012.

[16] Fredriksson N.J., Hermansson M., Wilén B.M., Diversity and dynamics of Archaea in an activated sludge wastewater treatment plant, BMC Microbiol. 12, (140), 2012, doi: 10.1186/1471-2180-12-140.
[17] Francis C.A., Roberts K.J., Beman J.M., Santoro A.E., Oakley B.B., Ubiquity and diversity of ammonia-oxidizing Archaea in water columns and sediments of the ocean, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, (41), 14683, 2005.

[18] Rotthauwe J.H., Witzel K.P., Liesack W., The ammonia monooxygenase structural gene amoA as a functional marker: molecular fine-scale analysis of natural ammonia-oxidizing populations, Appl. Environ. Microbiol. 63, (12), 4704, 1997.

[19] Delong E.F., Archaea in coastal marine environments, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, (12), 5685, 1992.

[20] Grosskopf R., Janssen P.H., Liesack W., Diversity and structure of the methanogenic community in anoxic rice paddy soil microcosms as examined by cultivation and direct 16S rRNA gene sequence retrieval, Appl. Environ. Microbiol. 64, (3), 960, 1998.

[21] Chiang Y.C., Yang C.Y., Li C., Ho Y.C., Lin C.K., Tsen H.Y., Identification of Bacillus spp., Escherichia coli, Salmonella spp., Staphylococcus spp. and Vibrio spp. with 16S ribosomal DNA-based oligonucleotide array hybridization, Int. J. Food Microbiol. 107, (2), 131, 2006.

[22] Van Niftrik L.A., Fuerst J.A., Sinninghe Damsté J.S., Kuenen J.G., Jetten M.S.M., Strous, M., The anammoxosome: An intracytoplasmic compartment in anammox bacteria, FEMS Microbiol. Lett. 233, 1, 2004.

[23] Wang L., Zheng P., Chen T., Chen J., Xing Y., Ji Q., Zhang M., Zhang J., Performance of autotrophic nitrogen removal in the granular sludge bed reactor, Bioresour. Technol. 123, 78, 2012.