Simultaneous Heterotrophic Nitrification and Aerobic Denitrification by Klebsiella sp. BWM5

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, σε παγκόσμιο και κυρίως σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, παρατηρείται μια προσπάθεια για θέσπιση διαρκώς αυστηρότερων νόμων, που αφορούν την πολιτική περιβάλλοντος, αντικατοπτρίζοντας την αυξημένη οικολογική συνείδηση του συνόλου των πολιτών. Παράλληλα, αναζητούνται μέθοδοι και τεχνικές προκειμένου να επιτυγχάνεται περιορισμός της ρύπανσης σε όλους τους τομείς δραστηριότητας των ανθρώπων. Στις μέρες μας αποτελεί στόχο, τόσο η προστασία του περιβάλλοντος όσο και της δημόσιας υγείας. Προς αυτή την κατεύθυνση γίνεται έλεγχος και διαχείριση των περιβαλλοντικών υδάτων, προκειμένου να διατηρηθεί η βιοποικιλότητα και να προστατευθεί η δημόσια υγεία. Για την επίτευξη του σ τόχου αυτού καλό είναι να επιτυγχάνεται η απομάκρυνση μεταξύ άλλων και του αζώτου από τα ύδατα. Έτσι η βιολογική απομάκρυνση τόσο του οργανικού φορτίου, όσο και των θρεπτικών συστατικών (κυρίως αζώτου και φωσφόρου) έχει καταστεί πλέον επιτακτική ανάγκη. Η βιολογική απομάκρυνση των θρεπτικών συστατικών αποτελεί συμβατική μέθοδο που είναι ευρέως διαδεδομένη και οικονομικά αποδοτική για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και για την αποφυγή του ευτροφισμού. Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου επιτυγχάνεται με τις διεργασίες της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης. Η νιτροποίηση γίνεται κάτω από αερόβιες συνθήκες με τη συνδρομή αυτότροφων βακτηρίων, που σε πρώτη φάση μετατρέπουν την αμμωνία σε νιτρώδες άζωτο και στη συνέχεια ακολουθεί οξείδωση των νιτρωδών προς νιτρικά. Η απονιτροποίηση συνίσταται στην αναγωγή των νιτρικών προς αέριο άζωτο, με τη βοήθεια προαιρετικά αερόβιων ετερότροφων μικροοργανισμών. Η συμβατική μέθοδος δύσκολα μπορεί να εφαρμοσθεί σε in vivo συνθήκες, λόγω της πολυπλοκότητας του υδάτινου οικοσυστήματος. Στο υδάτινο οικοσύστημα η κατ ανομή του διαλυμένου οξυγόνου είναι άνιση και το οργανικό υπόστρωμα που είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών είναι ανεπαρκές με αποτέλεσμα να παρατηρείται χαμηλό ποσοστό νιτροποίησης. Επιπλέον, η εφαρμογή της συμβατικής μεθόδου απομάκρυνσης αζώτου σε μονάδα διαχείρισης αποβλήτων, δύσκολα μπορεί να εφαρμοσθεί λόγω του γεγονότος ότι πρέπει να υπάρξει έκθεση των αποβλήτων, σε αερόβια και αναερόβια κατάσταση πράγμα που καθιστά δύσκολη τη διαδικασία λόγω της δυσκολίας απομάκρυνσης του διαλυμένου οξυγόνου, προκειμένου να εξασφαλισθεί ανοξική κατάσταση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η 4 δράση των απονιτροποιητικών βακτηρίων να είναι ανεπαρκής, λόγω της καταστολής της από τη μη ικανοποιητική αναεροβίωση. Η καταστολή της διαδικασίας απονιτροποίησης έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της απομάκρυνσης του αζώτου ως στοιχειακού, διότι λόγω της μεγάλης χημικής συγγένειας του με το οξυγόνο σχηματίζει σημαντικές ποσότητες ΝΟ και Ν 2Ο . Ως ενδιάμεσα υποπροϊόντα της βιολογικής απομάκρυνσης του αζώτου, τόσο το ΝΟ όσο και το Ν 2O μπορούν να έχουν επιβλαβείς συνέπειες για το περιβάλλον. Συγκεκριμένα το ΝΟ είναι επικίνδυνο ατμοσφαιρικό ρύπο που οδηγεί στον σχηματισμό της όξινης βροχής. Επίσης το ΝΟ είναι ένα μόριο υψηλής διαδραστικότητας το οποίο μπορεί να είναι τοξικό για τα βακτηριακά κύτταρα . Το Ν 2Ο είναι γνωστό αέριο που προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου ,λόγω του ότι αντιδρά με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα να καταστρέφει το όζον. Η καταστροφή του όζοντος από την παραγωγή Ν2Ο έχει υπολογιστεί ότι προκαλεί 320 φορές μεγαλύτερη υπερθέρμανση από την καταστροφή που έχει προκληθεί από το CO2. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον, όσο αφορά στη νιτροποίηση και την απονιτροποίηση έχει στραφεί σε μια σειρά από νέες τεχνολογίες για την αφαίρεση του αζώτου, οι οποίες έχουν σαν στόχο την αλλαγή του δρόμου της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης. Έχει αναπτυχθεί ένα πλήθος από τεχνολογίες για τη βιολογική απομάκρυνση του αζώτου που έχουν σαν στόχο την αύξηση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους επένδυσης και λειτουργίας. Σε αυτό το πλαίσιο περιλαμβάνονται και μια σειρά από τεχνολογίες που έχουν ως στόχο τη βιολογική αφαίρεση του αζώτου διαμέσου των διεργασιών νιτροποίησης – απονιτροποίησης με ταυτόχρονη παράκαμψη της παραγωγής νιτρικού αζώτου. Πρόσφατα, παρατηρήθηκε ότι πολλοί μικροοργανισμοί, με την παρουσία οξυγόνου είναι ικανοί να πραγματοποιήσουν τόσο τη νιτροποίηση, όσο και την απονιτροποίηση, συμβάλλοντας έτσι στην απομάκρυνση του αζώτου από το υδάτινο περιβάλλον. Αυτοί οι μικροοργανισμοί έχουν προσελκύσει την προσοχή των επιστημόνων λόγω του γρήγορου ρυθμού ανάπτυξης τους και της ικανότητας τους να μετατρέπουν τα νιτρικά και τα νιτρώδη σε αέριο άζωτο. Σήμερα έχει αποδειχθεί ότι κάποιες ο μάδες ετερότροφων μικροοργανισμών μπορούν να κάνουν αερόβια απονιτροποίηση, όπως είναι ο Paracoccus denitrificans, Alcaligenes faecalis,Pseudomonas stutzeri και Microvirgula aerodenitrificans.Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι να εντοπιστούν και να ταυτοποιηθούν μικροοργανισμοί που πιθανότατα μπορούν να συμβάλουν στη διαδικασία της νιτροποίησης- απονιτροποίησης και γενικότερα στην απομάκρυνση του αζώτου σε περιβάλλον παρουσίας οξυγόνου. Επιπλέον, με μια σειρά πειραμάτων, όπου θα διαφοροποιηθεί μια σειρά από παραμέτρους, θα βρεθούν οι βέλτιστες συνθήκες, στις οποίες υπάρχει μεγαλύτερη απόδοση. Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών στις περιβαλλοντικές βιοεπιστήμες του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Κύπρου.