Войти
A биореактор, контактирующий с анаммокс-бактерией Kuenenia stuttgartiensis, Radboud University Nijmegen Анаммокс, сокращение от аэробного амм ония окс идация, является глобально важным микробным процессом азотного цикла, что происходит во многих природных средах. Бактерии, опосредующие этот процесс, были идентифицированы в 1999 году и стали большим сюрпризом для научного сообщества. В реакции анаммокс ионы нитрита и аммония превращаются непосредственно в двухатомный азот и воду.
Бактерии, выполняющие процесс анаммокса, принадлежат к бактериальному типу Planctomycetes. Все анаммокс-бактерии имеют одну анаммоксосому, липидный бислой мембраносвязанный компартмент внутри цитоплазмы, в котором происходит процесс анаммокс. Мембраны анаммоксосом богаты липидами ладдеран ; присутствие этих липидов до сих пор является уникальным в биологии.
«Anammox» также является товарным знаком технологии удаления аммония на основе анаммокса, разработанной Делфтским технологическим университетом.
Ладдерановые липиды C17-C20 из анаммокс-бактерий, содержащие три линейно связанных циклобутановых кольца и одно циклогексановое или пять циклобутановых колец. Жирные кислоты этерифицируются метанолом или основной цепью глицерина, а спирты ладдеранов связаны эфиром с глицерином, все в различных комбинациях. В этом биологическом процессе, который представляет собой реакцию компропорционирования, ионы нитрита и аммония преобразуются непосредственно в двухатомный азот и воду.
В глобальном масштабе, на этот процесс может приходиться 30-50% газа N 2, добываемого в океанах. Таким образом, он является основным поглотителем фиксированного азота и тем самым ограничивает первичную продуктивность океана.
Бактерии, выполняющие анаммокс, принадлежат к бактериальному типу Planctomycetes. В настоящее время обнаружено пять родов анаммоксов: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (все пресноводные виды) и Scalindua (морские виды). Бактерии анаммокс характеризуются несколькими поразительными свойствами:
Бактерии анаммокс приспособлены к преобразованию своих субстратов в очень низких концентрациях; Другими словами, они обладают очень высоким сродством к своим субстратам, аммонию и нитриту (субмикромолярный диапазон). Клетки анаммокс упакованы белками типа цитохрома с (≈30% белкового комплемента), включая ферменты, которые выполняют ключевые катаболические реакции процесса анаммокс, делая клетки заметно красными. Первоначально было обнаружено, что анаммокс протекает только при температуре от 20 ° C до 43 ° C, но совсем недавно анаммокс наблюдался при температурах от 36 ° C до 52 ° C в горячих источниках и от 60 ° C до 85 ° C в гидротермальных источниках, расположенных вдоль Срединно-Атлантического хребта.
Рис. 2. Биологический цикл азота. DNRA, диссимиляционное восстановление нитрата до аммония.В 1932 году сообщалось, что газ диазот генерировался по неизвестному механизму во время ферментации в отложениях озера Мендота, Висконсин, США. В 1965 году заметил, что большая часть аммония, который должен образовываться во время анаэробной реминерализации органических веществ, не учтена. Поскольку не существовало известного биологического пути этой трансформации, биологическому анаэробному окислению аммония уделялось мало внимания.
В 1977 году Энгельберт Брода предсказал существование двух хемолитоавтотрофных микроорганизмов, способных окислять аммоний до газообразный азот на основе термодинамических расчетов. Считалось, что анаэробное окисление аммония невозможно, если предположить, что предшественники пытались и не смогли создать биологическую основу для этих реакций. К 1990-м годам наблюдения Арнольда Малдера просто соответствовали предположению Ричарда. В их пилотном реакторе бескислородной денитрификации аммоний исчез за счет нитрита с чистым образованием азота. В реакторе в качестве входящего потока использовался поток из метаногенного пилотного реактора, который содержал аммоний, сульфид и другие соединения и нитрат из установки для нитрификации. Этот процесс был назван «анаммокс» и, как выяснилось, имеет большое значение для удаления нежелательного аммония.
Открытие процесса анаммокс было впервые публично представлено на 5-м Европейском конгрессе по биотехнологии. К середине 1990-х годов было опубликовано открытие анаммокса в реакторе с псевдоожиженным слоем. Достигнута максимальная скорость удаления аммония 0,4 кг N / м / сут. Было показано, что на каждый моль израсходованного аммония требовалось 0,6 моль нитрата, что приводило к образованию 0,8 моль газообразного N 2.
В 1995 году была установлена биологическая природа анаммокса. Эксперименты по маркировке с NH 4 в комбинации с NO 3 показали, что N 2 был доминирующим продуктом, составляющим 98,2% от общего количества меченых N 2. Было установлено, что вместо нитрата в качестве окислителя аммония в реакции анаммокса использовался нитрит. Основываясь на предыдущем исследовании, Strous et al. рассчитали стехиометрию анаммокс-процесса путем балансировки масс, что широко используется другими группами. Позже анаммокс-бактерии были идентифицированы как планктомицеты, а первый идентифицированный организм анаммокса был назван Candidatus "Brocadia anammoxidans."
До 2002 года предполагалось, что анаммокс играет второстепенную роль. в азотном цикле в естественных экосистемах. Однако в 2002 году было обнаружено, что анаммокс играет важную роль в биологическом азотном цикле, составляя 24-67% от общего производства N 2 в отложениях континентального шельфа, которые были изучены. Открытие процесса анаммокс изменило концепцию биологического цикла азота, как показано на рисунке 2.
Рисунок 3. Возможный биохимический путь и клеточная локализация ферментные системы, участвующие в реакции анаммокс. 
Рис. 4. Гипотетические метаболические пути и обратный транспорт электронов в анаммоксосоме. (a) Катаболизм анаммокса, при котором нитрит используется в качестве акцептора электронов для создания движущей силы протона над анаммоксосомальной мембраной. (б) Prot Обратный транспорт электронов, управляемый движущей силой, сочетает центральный катаболизм с нитратредуктазой (NAR) с образованием ферредоксина для восстановления диоксида углерода в пути ацетил-КоА. HAO, гидразиноксидоредуктаза ; HD, гидразиндегидрогеназа; HH, гидразингидролаза; NIR, нитрит-оксидоредуктаза; Q, хинин. Голубые ромбы, цитохромы; синие стрелки, сокращения; розовые стрелки - окисление. Согласно экспериментам по маркировке N, проведенным в 1997 году, аммоний биологически окисляется гидроксиламином, скорее всего, полученным из нитрита, как вероятный акцептор электронов. Предполагается, что превращение гидразина в газообразное азотное соединение является реакцией, которая генерирует электронные эквиваленты для восстановления нитрита до гидроксиламина. В общем, рассматриваются два возможных механизма реакции:
Происходит ли восстановление нитрита и окисление гидразина на разных участках одного и того же фермента или реакции катализируются разными ферментными системами, связанными посредством цепи переноса электронов, еще предстоит исследовать. При микробном метаболизме азота гидразин в качестве промежуточного продукта встречается редко. Гидразин был предложен в качестве связанного с ферментом промежуточного продукта в реакции нитрогеназы. Недавно, используя подробный молекулярный анализ и комбинируя дополнительные методы, Картал и его коллеги опубликовали убедительные доказательства, подтверждающие последний механизм. Кроме того, фермент, продуцирующий гидразин, гидразинсинтазу, был очищен, и было показано, что он производит гидразин из NO и аммония. Производство гидразина из аммония и NO также поддерживалось разрешением кристаллической структуры фермента гидразинсифазы.
Возможная роль оксида азота (NO) или нитроксила (HNO) в анаммоксе был предложен Hooper et al. путем конденсации NO или HNO и аммония на ферменте, относящемся к семейству монооксигеназ аммония. Образованный гидразин или имин впоследствии может быть превращен ферментом гидроксиламиноксидазой в газообразный азот, и восстанавливающие эквиваленты, полученные в реакции, требуются для объединения NO или HNO и аммония или для восстановления нитрита до NO. Анализ геномики окружающей среды вида Candidatus с помощью немного отличающегося и комплементарного механизма метаболизма показал, что промежуточным звеном вместо гидроксиламина является NO (рис. 4). Однако эта гипотеза также соглашалась с тем, что гидразин был важным промежуточным звеном в процессе. В этом пути (рис. 4) присутствуют два уникальных фермента анаммокс-бактерий: гидразинсинтаза (hzs) и гидразиндегидрогеназа (hdh). HZS производит гидразин из оксида азота и аммония, а HDH переносит электроны от гидразина к ферредоксину. Было обнаружено несколько новых генов, таких как некоторые известные гены биосинтеза жирных кислот и радикальных ферментов S-аденозилметионина, содержащие домены, участвующие в переносе электронов и катализе. Микроорганизмы Anammox также могут напрямую связывать восстановление NO с окислением аммиака без необходимости подачи нитрита.
Другой, еще не изученный механизм реакции включает анаэробное окисление аммония на анодах биоэлектрических систем. Такие системы могут быть микробными топливными элементами или микробными электролизными ячейками. В отсутствие растворенного кислорода, нитрита или нитрата микробы, живущие в анодном отсеке, способны окислять аммоний до газа диазот (N 2) так же, как в классическом процессе анаммокс. В то же время они выгружают высвободившиеся электроны на анод, производя электрический ток. Этот электрический ток можно использовать либо непосредственно в режиме топливного элемента, либо для производства водорода и метана в режиме электролиза. Хотя нет ясности в отношении механизма реакции, одна из гипотез состоит в том, что нитрит, нитрат или оксид диазота играют роль промежуточных продуктов. Однако, поскольку процесс происходит при очень низких электрохимических потенциалах, возможны и другие, более умозрительные механизмы реакции.
К настоящему времени описано десять видов анаммоксов, в том числе семь, доступных в лабораторных обогащающих культурах. Все они имеют таксономический статус Candidatus, поскольку ни одна из них не была получена как классические чистые культуры. Известные виды делятся на пять родов:
представители первых четырех родов были обогащены за счет ила очистных сооружений; K. stuttgartiensis, B. anammoxidans, B. fulgida и A. propionicus были получены из одного и того же посевного материала. Скалиндуа доминирует в морской среде, но также встречается в некоторых пресноводных экосистемах и на очистных сооружениях.
В совокупности эти 10 видов, вероятно, представляют лишь малую долю биоразнообразия анаммоксов. Например, в настоящее время существует более 2000 последовательностей гена 16S рРНК, связанных с анаммокс-бактериями, которые были депонированы в Genbank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ ), что представляет собой упущенный из виду континуум видов, подвидов и штаммов, каждый из которых, по-видимому, нашел свою конкретную нишу в большом разнообразии местообитаний, где встречаются бактерии анаммокс. Микроразнообразие видов особенно впечатляет морского представителя Scalindua. Остается исследовать вопрос, какие факторы окружающей среды определяют дифференциацию видов среди анаммокс-бактерий.
Идентичность последовательностей генов анаммокса 16S рРНК колеблется от 87 до 99%, и филогенетический анализ помещает их всех в филум Planctomycetes, который вместе с Verrucomicrobia и Chlamydiae формирует супрофилум PVC. Внутри Planctomycetes анаммокс-бактерии глубоко разветвляются в виде монофилетической клады. Их филогенетическое положение вместе с широким спектром конкретных физиологических, клеточных и молекулярных характеристик дает бактериям анаммокс их собственный отряд Brocadiales.
Применение процесса анаммокс заключается в следующем: удаление аммония при очистке сточных вод и состоит из двух отдельных процессов. Первый этап - частичная нитрификация (нитритирование) половины аммония до нитрита бактериями, окисляющими аммиак :
Образующиеся аммоний и нитрит превращаются в процессе анаммокс в газообразный азот и около 15% нитрата (не показаны) анаммокс-бактериями:
Оба процесса могут происходить в 1 реакторе, где две гильдии бактерий образуют компактные гранулы.
Для обогащения организмов анаммокс: Система гранулированной биомассы или биопленки кажется особенно подходящей, в которой может быть обеспечен необходимый возраст ила более 20 дней. Возможные реакторы: последовательные реакторы периодического действия (SBR), или. Снижение затрат по сравнению с традиционным удалением азота значительно; техника еще молода, но проверена на нескольких полномасштабных установках.
Первый полномасштабный реактор, предназначенный для применения анаммокс-бактерий, был построен в Нидерландах в 2002 году. На других очистных сооружениях, например, в Германии (Хаттинген), случайно наблюдается активность анаммокса, хотя ее и не было. построен для этой цели. По состоянию на 2006 год в Нидерландах существует три полномасштабных процесса: один на муниципальных очистных сооружениях (в Роттердаме ) и два на промышленных сточных водах. Один - кожевенный завод, другой - завод по переработке картофеля.
Обычное удаление азота из сточных вод, богатых аммонием, осуществляется в два отдельных этапа: нитрификация, которая опосредуется аэробным аммиаком - и нитритокисляющие бактерии и денитрификация, осуществляемая денитрификаторами, которые восстанавливают нитрат до N 2 с введением подходящих доноров электронов. Аэрация и ввод органических субстратов (обычно метанола) показывают, что эти два процесса:
Поскольку анаммокс-бактерии превращают аммоний и нитрит непосредственно в N 2 анаэробно, этот процесс не требует аэрации и других доноров электронов. Тем не менее, кислород по-прежнему необходим для производства нитрита бактериями, окисляющими аммиак. Однако в системах частичного нитритирования / анаммокса потребность в кислороде значительно снижается, потому что только половина аммония должна быть окислена до нитрита вместо полного превращения в нитрат. Автотрофная природа анаммокс-бактерий и бактерий, окисляющих аммиак, гарантирует низкий урожай и, следовательно, меньшее образование осадка. Кроме того, анаммокс-бактерии легко образуют стабильную самоагрегированную биопленку (гранулы), что обеспечивает надежную работу компактных систем, характеризующихся высокой концентрацией биомассы и степенью конверсии до 5–10 кг Н · м. В целом было показано, что эффективное применение процесса анаммокс при очистке сточных вод приводит к снижению затрат до 60%, а также к снижению выбросов CO 2.
Время удвоения медленное, от 10 дней до 2 недель. Это затрудняет выращивание достаточного количества ила для реактора очистки сточных вод. Также время восстановления после потери осадка в результате аварии больше, чем в обычных системах удаления азота. С другой стороны, такая медленная скорость роста является преимуществом из-за уменьшения избыточного ила, который необходимо удалять и обрабатывать. В зависимости от конкретного вида, оптимальный уровень pH равен 8. Поэтому может возникнуть необходимость отрегулировать pH сточных вод путем добавления щелочи.
