Applications biotechnologiques émergentes d'Anammox

• Les interactions entre les bactéries anammox et l'archaea oxydant l'ammoniac, les bactéries complétées à l'ammoniac et l'ammoniac, et les micro-organismes anaérobies oxydants anaérobies au méthane, fournissent une nouvelle approche pour fournir des nitrites aux bactéries anamoxes pour l'élimination des azotés des déchets à faible teneur en amonium.
• Les progrès de la science des matériaux ont montré que les interactions entre les bactéries anammoxes et les matériaux carbonés tels que l'oxyde de graphène, le carbone activé granulaire, le biochar et diverses formes de fer peuvent améliorer l'activité anammox et l'élimination de l'azote.
• La découverte de capacités de transfert d'électrons extracellulaires des bactéries anammoxes suggère qu'il s'agit d'une approche prometteuse économe en énergie de l'élimination de l'azote avec une récupération d'énergie simultanée.
• L'adaptation intrinsèque des bactéries marines anammox dans des conditions salines en fait un outil clé pour traiter les flux d'eaux usées salins.

L'oxydation anaérobie de l'ammonium (Anammox) est une méthode d'élimination d'azote économe en énergie, et la recherche sur Anammox au cours de la dernière décennie s'est concentrée principalement sur son application dans le traitement des eaux usées domestiques. Cependant, la recherche émergente étend son application aux nouvelles applications biotechnologiques et aux processus de traitement des eaux usées.

Les bactéries anammox peuvent oxyder directement anaérobie l'ammonium (NH 4+) en gaz d'azote (N2) en utilisant du nitrite (no 2-) comme accepteur d'électrons. À ce jour, le processus d'Anammox a été considéré comme une méthode de dénitrification plus économe en énergie et plus respectueux de l'environnement par rapport au processus traditionnel de nitrification \/ dénitrification à forte intensité énergétique. L'utilisation d'Anammox pour le traitement des eaux usées offre des avantages significatifs, notamment une réduction de 60% de la consommation d'énergie, une élimination complète des ajouts de carbone externes et une réduction de 80% de la production excessive de boues, ce qui fait du processus Anammox un composant clé pour atteindre le traitement des eaux usées à énergie ou même à énergie. ANAMMOX a été largement utilisé dans les installations à grande échelle pour le traitement des eaux usées industrielles et de voies. De plus, trois plantes ammonium anammox à grande échelle à grande échelle ont été signalées dans Strass (Autriche), Changi (Singapour) et Xi'an (Chine). L'installation STRASS rapporte une supplémentation en boues traditionnelles avec des granules anammox dans le réacteur de tramway. Le réacteur est opéré sous aération intermittent pour contrôler les bactéries oxydantes au nitrite (NOB). De plus, l'installation de Changi utilise des boues floculentes riches en anammox combinées avec des conditions aérobies et anoxiques alternées et alternées pour supprimer le NOB. L'installation Xi'an utilise des porteurs de biofilm pour conserver les bactéries à croissance lente dans les réservoirs anoxiques. Les réacteurs sont exploités avec une aération intermittente pour générer des gradients d'oxygène dissous pour la production de nitrite. Notamment, bien que les installations Changi et Xi'an n'étaient pas conçues à l'origine pour Anammox, ils fournissent des preuves que l'anammox traditionnel à grande échelle peut également être mis en œuvre dans l'infrastructure actuelle des installations de traitement des eaux usées. Ces installations mettent en évidence le potentiel de la nitritation partielle \/ anammox traditionnelle (PN \/ A). De plus, le traitement des eaux usées domestiques utilisant un traitement de matière organique anaérobie (phase A) et PN \/ A (phase B) a été démontré avec succès à des échelles de laboratoire et de pilote, marquant une étape vers le traitement des eaux usées neutres énergétiques.

Malgré la démonstration réussie de la PN \/ A traditionnelle, il y a plusieurs défis à la mise en œuvre généralisée de l'anammox dans le traitement grand public, y compris la nécessité d'une production stable NO 2-, des performances réduites à faible températures et de faibles concentrations NH 4+, et la nécessité de supprimer l'activité NOB. La recherche au cours de la dernière décennie a visité ces limites pour exploiter pleinement Anammox pour traiter les eaux usées domestiques. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la réalisation du PN stable, l'amélioration des performances à de faibles températures et de faibles concentrations d'ammonium, le contrôle du NOB et le fonctionnement à une large gamme de rapports carbone \/ azote (C: N). De plus, les avancées récentes ont changé la perception du temps de doublement lent des bactéries anammox, qui n'est plus considérée comme un obstacle à la mise en œuvre de la technologie. La recherche a montré que, selon les espèces, les temps de doublement rapide sont une propriété cinétique intrinsèque des bactéries anammox. De plus, la diversité croissante des espèces anammoxes et les progrès des méthodes de culture ont montré que ces bactéries peuvent croître plus rapidement que prévu précédemment, permettant à la technologie d'être largement appliquée quel que soit leur taux de croissance.

While efforts are being made to address the traditional challenges and bottlenecks of anammox applications in mainstream settings, recent research has also focused on innovative approaches to address these challenges, such as anammox-microbial interactions for innovative nitrogen removal from wastewater, interactions of anammox bacteria with materials to improve performance, iron supplementation in anammox wastewater treatment systems, and bioelectrochemical ammonium treatment with bactéries anammox. Cette recherche est menée lors de l'exploration de nouvelles applications biotechnologiques, telles que l'élimination de l'ammoniac des eaux usées salines à l'aide de bactéries marines anammox (mAb).

Les bactéries Anammox existent dans un réseau écologique complexe où ils interagissent avec une variété d'autres populations microbiennes dans l'environnement naturel, les systèmes de traitement des eaux usées et les cultures d'enrichissement. Étant donné qu'Anammox est apparu comme un processus clé pour la dénitrification des eaux usées, la compréhension de ces interactions microbiennes complexes enrichit non seulement notre compréhension du cycle de l'azote microbien, mais est également essentielle pour développer des technologies de traitement des eaux usées de nouvelle génération. En règle générale, dans un système PN \/ A en une étape, les bactéries anammox coexistent avec des bactéries à oxydation de l'ammoniac (AOB) dans des particules pour former une relation symtrophique, réalisant ainsi une dénitrification plus efficace. AOB oxyde partiellement NH 4+ à NO2−, et le NO2 - généré sert d'accepteur d'électrons pour les bactéries anammox, oxydant NH 4+ et produisant N2. Avantages d'un système PN \/ A en une étape.

Interactions entre les bactéries anammox et (a) les bactéries oxydant de l'ammoniac (AOB) et les bactéries oxydant les nitrites (NOB), (b) l'ammoniac oxydant les archées (AOA), (c) les bactéries complètes de l'ammonia (Comammox) et (d) nitrate \/ nitrrite anaaerobic methane oxyding (damo).

Bien que le système PN \/ A en une étape présente des avantages par rapport au système à deux étapes, la température plus basse qui affecte l'activité de la production AOB et Anammox, ainsi que de maintenir une production stable NO 2-, pose des défis au fonctionnement des bioréacteurs et la mise en œuvre des processus anammoxes dans le traitement des eaux usées municipales. De plus, la nature dépendante de l'oxygène de PN ajoute une couche de complexité au fonctionnement du réacteur. L'offre d'oxygène inadéquate peut limiter l'oxydation de NH 4+ à non 2-, affectant ainsi l'élimination de NH 4+ par les bactéries anammox. À l'inverse, la surextraction peut entraîner une production excessive de NO2, ce qui inhibe les bactéries anammoxes et stimule le NOB. Cela produit des effluents riches en nitrate (NO3–) et NOB, qui dépassent les bactéries anammoxes. L'accumulation de NO3–, que ce soit à partir de l'activité métabolique inhérente des bactéries anammoxes ou du NOB, peut réduire la qualité globale de l'effluent. Par conséquent, il est nécessaire de développer des méthodes plus efficaces et stables pour fournir aucune 2- à Anammox.

Le couplage anammox avec des archées oxydant d'ammoniac (AOA) est un domaine de recherche émergent qui promet de fournir un système de traitement plus robuste et efficace par rapport au PN \/ A traditionnel avec AOB. L'AOA est une branche dominante du phylum Thaumarchaeota trouvé dans divers environnements oligotrophes, tels que les zones minimales d'oxygène (OMZ). Comparé à l'AOB, AOA a une résilience plus élevée aux fluctuations de température ambiante et a une affinité significativement plus élevée pour l'oxygène et le NH 4+. Une affinité élevée d'AOA pour NH 4+ et l'oxygène lui permet de fonctionner efficacement dans des environnements avec de faibles concentrations de substrat. Ces propriétés peuvent rendre l'AOA adaptée à une combinaison avec Anammox pour le traitement des eaux usées domestiques, qui a souvent des conditions de fonctionnement fluctuantes telles que les changements de température et de faibles concentrations d'ammonium. Les modèles de biofilm suggèrent que l'AOA peut fournir une source plus stable de NO 2- que AOB à des concentrations inférieures d'ammoniac.

Bien que ces études fournissent des informations prometteuses sur le potentiel des systèmes AOA-ANAMMOX, l'optimisation de ce partenariat microbien dans des applications à plus grande échelle reste un défi. De plus, l'AOA est entravé par leur taux de croissance lent et leur mauvaise capacité à former des biofilms, ce qui les rend moins adaptés aux applications réelles où l'activité microbienne rapide et la formation de biofilms stables sont essentielles. En revanche, les bactéries complètes de l'ammoniac oxydant (Comammox) offrent une alternative plus efficace. Par rapport à l'AOA, les bactéries Comammox présentent non seulement des taux de croissance plus élevées, mais ont également une affinité plus large du substrat et offrent la possibilité de croissance des biofilms couplés à Anammox. Les bactéries Comammox sont un sous-ensemble du genre Nitrospira avec la capacité unique à effectuer les deux étapes de la nitrification et peut oxyder NH 4+ à NO2– et plus à NO3– dans un seul organisme. Des études ont rapporté la coexistence et la coopération des bactéries Comammox et Anammox pendant la dénitrification dans les systèmes de traitement des eaux usées en laboratoire et à grande échelle. Cependant, ces systèmes n'ont pas été initialement conçus pour enrichir spécifiquement les communautés Anammox-Comammox. La conception et l'établissement de communautés synthétiques sont plus difficiles, et moins d'études ont tenté d'ingérer ou d'enrichir de telles interactions. Une étude de Gottshall et des collègues a établi des communautés synthétiques anammox-coammox dans des billes d'hydrogel encapsulées. Dans ces perles, les bactéries Comammox ont occupé la zone extérieure aérobie, tandis que les bactéries anammox résidaient dans la couche anoxique ci-dessous. Cette interaction et cette arrangement spatial ont entraîné une élimination de l'azote presque complète et une formation de NO3 - de manière significative, une caractéristique clé du traitement des eaux usées, où le NO3– est un sous-produit indésirable. La faible concentration de NO3– dans les eaux usées peut être due à l'activité d'ammoniac réalisant des nitrates (DNRA) des bactéries anammoxes et \/ ou des dénitrificateurs hétérotrophiques.

Dans une autre étude, une communauté Comammox-Anammox a été établie à l'aide de Nitrospira inopinata et Anammox, qui ont été co-incapulées avec du carbone dans des billes d'hydrogel. Cette nouvelle configuration de réacteur a utilisé un chauffage rayonnant du carbone co-encapsulé avec les organismes pour atteindre presque le NH 4+ à basse température (c'est-à-dire à 4 degrés) lors du traitement des effluents primaires synthétiques et réels des plantes de traitement des eaux usées municipales.

S'appuyant sur ces résultats, d'autres études ont souligné que les concentrations élevées de NH 4+ et de faibles concentrations en oxygène sont parmi les paramètres les plus pertinents pour promouvoir l'enrichissement et l'action synergique des bactéries facultatives et anaérobies pour atteindre la dénitrification des eaux usées grand public. Les recherches futures devraient se concentrer sur le développement de formats granulaires adaptés au séquençage des réacteurs par lots (SBR) et doivent être testés dans des conditions pratiques et dans des systèmes de traitement des eaux usées à plus grande échelle. Les systèmes granulaires augmentent intrinsèquement les taux de transfert de masse en raison de leur surface accrue et de leur dynamique d'écoulement optimisée, ce qui est essentiel pour une diffusion efficace du substrat et de l'oxygène dans le biofilm. De plus, ces systèmes ont une rétention de biomasse plus élevée, des communautés microbiennes plus stables et les exigences du volume des réacteurs sont considérablement réduites en raison de la compacité des systèmes granulaires. Les systèmes granulaires Comammox-Anammox sont également plus tolérants aux fluctuations des concentrations de substrats et des conditions environnementales. Compte tenu de ces avantages, le développement de systèmes granulaires Comammox-Anammox pourrait être une avancée majeure dans la mise en œuvre pratique de cette interaction. L'objectif ultime est d'exploiter la microaérophilicité de l'interaction A. microbiophilum-anammox pour économiser l'énergie de l'aération et maximiser l'utilisation de ce partenariat microbien pour une élimination efficace de l'azote.

L'interaction symbiotique entre les micro-organismes anaérobies anamox et nitrate \/ nitrite anaérobie de méthane (N-Damo) fournit une approche unique et durable pour l'environnement pour l'élimination simultanée de l'azote anaérobie et du méthane (CH4) dans les systèmes de traitement des eaux usées. La communauté microbienne impliquée dans le processus N-Damo comprend un groupe bactérien du Phylum NC10 (c.-à-d. Candidatus méthylomirabilisme) et un groupe archéique du phylum euryarchaeota (c.-à-d. Candidatus méthanoopededens). Les bactéries N-Damo sont capables de réduire les 2- à N2, tandis que le n-damo archaea ne réduit aucun 3- à non 2-, tous deux en utilisant CH4 comme donneur électronique. La combinaison d'Anammox avec le processus N-Damo permet la suppression anaérobie simultanée de CH4 dissous, NH 4+, non 2-, et no 3- des eaux usées. Des progrès récents ont démontré le couplage synergique des processus anaérobies et DAMO dans les configurations de bioréacteurs tels que les réacteurs de biofilm membranaire (MBFR) et les réacteurs de biofilm de lit en mouvement (MBBR) couplés à des fibres creuses. Ces configurations de réacteurs permettent une rétention efficace de la biomasse et une livraison CH4 via des membranes et des fibres creuses, établissant ainsi un microenvironnement optimal pour les organismes Anammox et Damo.

Cependant, malgré les avantages des configurations basées sur la membrane, il y a des défis à les mettre en œuvre dans des systèmes à plus grande échelle. La surface élevée de la membrane est nécessaire pour conserver les micro-organismes à croissance lente, ce qui augmente considérablement les coûts d'investissement. De plus, il faut environ 1-3} pour les bactéries n-damo et anaérobies pour former un biofilm, ce qui augmente considérablement le temps de démarrage. Le développement de Damo granulaires offre de nouvelles options pour des configurations de réacteurs plus efficaces, faisant ainsi un pas vers une application pratique. L'étude a montré que l'utilisation de granules anaérobies matures à mesure que les biocarriers accélèrent la formation de granules de n-damo. Ceci est particulièrement important car dans les études précédentes, il a fallu plus d'un an pour obtenir des granules N-damo de flocs suspendus. Le système granulaire Damo-Anammox a également montré des taux de transfert de masse plus élevés, une rétention de biomasse plus élevée, une réduction significative des exigences du volume des réacteurs et une plus grande tolérance aux fluctuations de la concentration d'alimentation et des conditions de fonctionnement telles que le taux de chargement de l'azote et la température. Bien que l'interaction Anammox-N-Damo se soit révélée prometteuse, il reste un défi de l'étendre des applications de laboratoire aux applications à grande échelle. Les recherches futures se concentreront sur l'optimisation du processus anaérobie-damo pour améliorer l'efficacité d'élimination de l'azote et tester le processus à des températures plus basses, résoudre les problèmes de transfert de masse et de diffusion et effectuer des tests pilotes en utilisant des eaux usées réelles.

L'élimination innovante de l'azote des eaux usées à l'aide d'interactions anammox-microbiennes offre une nouvelle approche pour relever les défis qui persistent dans la mise en œuvre d'Anammox et les systèmes PN \/ A traditionnels. La résilience de l'AOA aux fluctuations environnementales et sa haute affinité pour l'oxygène et le NH 4+, ainsi que la capacité des bactéries Comammox à effectuer deux étapes de nitrification, offrent des alternatives prometteuses à AOB pour PN \/ A. Cependant, le taux de croissance lent de l'AOA et les défis de Comammox dans la formation de biofilm mettent en évidence les limitations intrinsèques qui n'ont pas encore été surmontées par la recherche émergente. En outre, malgré la promesse d'interactions symbiotiques entre les micro-organismes Anammox et N-Damo à l'échelle de laboratoire, la mise à l'échelle de ces interactions vers des applications à grande échelle reste un défi important et met en évidence la nécessité de recherches supplémentaires pour optimiser ces processus pour les applications du monde réel.

Ces études suggèrent que l'intégration de ces processus microbiens a le potentiel de résoudre certains des problèmes potentiels avec la mise en œuvre d'Anammox, mais ils ne résolvent pas pleinement ces défis. En outre, l'intégration de ces innovations présente des défis supplémentaires à relever. Néanmoins, il est utile d'explorer plusieurs approches de recherche au-delà des méthodes traditionnelles, car c'est le chemin de la création de nouvelles découvertes, solutions et applications. En outre, ces études ont apporté des contributions significatives à la compréhension de la dynamique microbienne complexe entourant les bactéries anammoxes, qui est essentielle pour améliorer les unités de traitement des eaux usées existantes et nouvelles. Bien que l'application de ces nouvelles interactions puisse ne pas fournir des solutions complètes aux goulots d'étranglement existants dans un avenir prévisible, il met en évidence la nécessité de concentrer les recherches futures sur la traduction des succès de laboratoire en solutions pratiques et évolutives pour le traitement des eaux usées municipales.