Aplicaciones biotecnológicas emergentes de Anammox

• Las interacciones entre las bacterias anammox y las arqueas oxidantes de amoníaco, las bacterias completas oxidantes de amoníaco y los microorganismos anaeróbicos de metano dependientes de nitrato/nitrito proporcionan microorganismos oxidantes de nitrógeno de anammox para la eliminación de nitrógeno de los residuos de bajo-amamonio.
• Los avances en la ciencia de los materiales han demostrado que las interacciones entre las bacterias anammox y los materiales carbonosos, como el óxido de grafeno, el carbono activado granular, el biochar y las diversas formas de hierro pueden mejorar la actividad de Anammox y la eliminación de nitrógeno.
• El descubrimiento de las capacidades de transferencia de electrones extracelulares de las bacterias Anammox sugiere que este es un enfoque prometedor de eficiencia energética para la eliminación de nitrógeno con la recuperación de energía simultánea.
• La adaptación intrínseca de las bacterias marinas de Anammox a las condiciones salinas los convierte en una herramienta clave para tratar las corrientes de aguas residuales salinas.

La oxidación de amonio anaeróbico (Anammox) es un método de eliminación de nitrógeno de eficiencia energética, y la investigación sobre Anammox en la última década se ha centrado principalmente en su aplicación en el tratamiento doméstico de aguas residuales. Sin embargo, la investigación emergente está ampliando su aplicación a nuevas aplicaciones biotecnológicas y procesos de tratamiento de aguas residuales.

La bacteria Anammox puede oxidar directamente anaeróbicamente el amonio (NH 4+) al gas nitrógeno (N2) usando nitrito (no 2-) como un aceptador de electrones. Hasta la fecha, el proceso Anammox se ha considerado un método de desnitrificación más eficiente y ecológico en comparación con el proceso tradicional de nitrificación/desnitrificación intensivo en energía. El uso de Anammox para el tratamiento de aguas residuales ofrece ventajas significativas, incluida una reducción del 60% en el consumo de energía, la eliminación completa de las adiciones de carbono externas y una reducción del 80% en la producción de lodos en exceso, lo que hace que el proceso de Anammox sea un componente clave para lograr el tratamiento de residuos residuales de energía neutral o incluso con energía. Anammox se ha utilizado ampliamente en instalaciones a gran escala para el tratamiento de aguas residuales industriales y de resumen. Además, se han reportado tres plantas de amonio de anammox a gran escala exitosas en Estrascas (Austria), Changi (Singapur) y Xi'an (China). La instalación de Estrás informa la suplementación de lodo convencional con gránulos de anammox en el reactor de flujo lateral. El reactor se opera bajo aireación intermitente para controlar las bacterias oxidantes de nitrito (NOB). Además, la instalación de Changi utiliza el lodo floculento rico en anammox combinado con las condiciones aeróbicas y anóxicas alternas de alimentación y alterna para suprimir el NOB. La instalación de Xi'an utiliza portadores de biopelículas para retener bacterias de crecimiento lento en tanques anóxicos. Los reactores se operan con aireación intermitente para generar gradientes de oxígeno disuelto para la producción de nitrito. En particular, aunque las instalaciones Changi y Xi'an no fueron diseñadas originalmente para Anammox, proporcionan evidencia de que el Anammox convencional a gran escala también se puede implementar dentro de la infraestructura actual de la instalación de tratamiento de aguas residuales. Estas instalaciones resaltan el potencial de la nitricación parcial principal/anammox (PN/A). Además, el tratamiento doméstico de aguas residuales utilizando tratamiento anaeróbico de materia orgánica (fase A) y PN/A (fase B) se ha demostrado con éxito en escalas de laboratorio y piloto, marcando un paso hacia el tratamiento de aguas residuales neutrales en energía.

A pesar de la demostración exitosa de PN/A convencional, existen varios desafíos para la implementación generalizada de Anammox en el tratamiento convencional, incluida la necesidad de una producción estable de No 2-, un rendimiento reducido a bajas temperaturas y bajas concentraciones NH {{1 1}}}, y la necesidad de suprimir la actividad de Nob. La investigación durante la última década se ha dirigido a abordar estas limitaciones para explotar completamente a Anammox para tratar las aguas residuales nacionales. Se han realizado un progreso significativo para lograr una PN estable, mejorar el rendimiento a bajas temperaturas y bajas concentraciones de amonio, controlar el NOB y operar en un amplio rango de relaciones de carbono a nitrógeno (C: N). Además, los avances recientes han cambiado la percepción del tiempo de duplicación lento de las bacterias Anammox, que ya no se ve como una barrera para la implementación de la tecnología. La investigación ha demostrado que, dependiendo de la especie, los tiempos de duplicación rápidos son una propiedad cinética intrínseca de las bacterias Anammox. Además, la creciente diversidad de las especies de Anammox y los avances en los métodos de cultivo han demostrado que estas bacterias pueden crecer más rápido de lo esperado anteriormente, lo que permite que la tecnología se aplique ampliamente independientemente de su tasa de crecimiento.

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 Bacterias anammox. Esta investigación se está realizando mientras explora las nuevas aplicaciones biotecnológicas, como la eliminación de amoníaco de las aguas residuales salinas utilizando bacterias marinas anammox (MAB).

Existen bacterias Anammox en una red ecológica compleja donde interactúan con una variedad de otras poblaciones microbianas en el entorno natural, los sistemas de tratamiento de aguas residuales y los cultivos de enriquecimiento. Dado que Anammox se ha convertido en un proceso clave para la desnitrificación de las aguas residuales, comprender estas interacciones microbianas complejas no solo enriquece nuestra comprensión del ciclo de nitrógeno microbiano, sino que también es esencial para desarrollar tecnologías de tratamiento de aguas residuales de próxima generación. Típicamente, en un sistema PN/A de una etapa, las bacterias Anammox coexisten con bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) en partículas para formar una relación simtrófica, logrando así una desnitrificación más eficiente. AOB oxida parcialmente NH 4+ a No2−, y el no2- generado sirve como un aceptador de electrones para bacterias anammox, oxidando NH 4+ y produciendo N2. Ventajas de un sistema PN/A de una etapa.

Las interacciones entre las bacterias anammox y (a) bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) y bacterias oxidantes de nitrito (NOB), (b) arqueas de amoníaco oxidantes (AOA), (C) bacterias de oxidación de amoníaco (N-cammox) (n-cammox).

Aunque el sistema PN/A de una etapa tiene ventajas sobre el sistema de dos etapas, la temperatura más baja que afecta la actividad de AOB y Anammox, además de mantener una producción estable de No 2-, plantea desafíos para el funcionamiento de los biorreactores y la implementación de procesos de Anammox en el tratamiento municipal de los desgarbadores. Además, la naturaleza dependiente de oxígeno de PN agrega una capa de complejidad a la operación del reactor. El suministro de oxígeno inadecuado puede limitar la oxidación de NH 4+ a NO 2-, lo que afecta la eliminación de NH 4+ por bacterias anammox. Por el contrario, la sobreaente puede conducir al exceso de producción de NO2, lo que inhibe las bacterias Anammox y estimula el NOB. Esto produce efluentes ricos en nitrato (NO3–) y NOB, que superan las bacterias Anammox. La acumulación de NO3–, ya sea por la actividad metabólica inherente de las bacterias Anammox o Nob, puede reducir la calidad general del efluente. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos más eficientes y estables para suministrar 2- a Anammox.

El acoplamiento de Anammox con arqueas oxidantes de amoníaco (AOA) es un área emergente de investigación que promete proporcionar un sistema de tratamiento más robusto y eficiente en comparación con la PN/A tradicional con AOB. AOA es una rama dominante del filo Thaumarchaeota que se encuentra en varios entornos oligotróficos, como las zonas mínimas de oxígeno (OMZ). En comparación con AOB, AOA tiene una mayor resistencia a las fluctuaciones de temperatura ambiente y tiene una afinidad significativamente mayor por el oxígeno y NH 4+. La alta afinidad de AOA por NH 4+ y el oxígeno le permite operar de manera eficiente en entornos con bajas concentraciones de sustrato. Estas propiedades pueden hacer que AOA sea adecuada para la combinación con Anammox para el tratamiento de aguas residuales domésticas, que a menudo tiene condiciones de operación fluctuantes, como cambios de temperatura y bajas concentraciones de amonio. Los modelos de biopelículas sugieren que AOA puede proporcionar una fuente más estable de NO 2- que AOB a concentraciones de amoníaco más bajas.

Aunque estos estudios proporcionan información prometedora sobre el potencial de los sistemas AOA-Anammox, la optimización de esta asociación microbiana en aplicaciones a mayor escala sigue siendo un desafío. Además, AOA se ve obstaculizado por su lenta tasa de crecimiento y su mala capacidad para formar biopelículas, lo que las hace menos adecuadas para aplicaciones de la vida real donde la actividad microbiana rápida y la formación de biopelículas estables son críticos. Por el contrario, las bacterias completas de bacterias oxidantes de amoníaco (Comammox) ofrecen una alternativa más eficiente. En comparación con AOA, las bacterias Comammox no solo exhiben tasas de crecimiento más altas, sino que también tienen una afinidad de sustrato más amplia y ofrecen la posibilidad de crecimiento en biopelículas junto a Anammox. Las bacterias Comammox son un subconjunto del género Nitrospira con la capacidad única de realizar ambos pasos de nitrificación y puede oxidar NH 4+ a NO2– y más a No3– en un solo organismo. Los estudios han informado la coexistencia y cooperación de bacterias Comammox y Anammox durante la desnitrificación en los sistemas de tratamiento de aguas residuales de laboratorio y a gran escala. Sin embargo, estos sistemas no fueron diseñados inicialmente para enriquecer específicamente a las comunidades de Anammox-Comammox. Diseñar y establecer comunidades sintéticas es más desafiante, y menos estudios han intentado diseñar o enriquecer tales interacciones. Un estudio de Gottshall y sus colegas establecieron comunidades sintéticas de Anammox-Comammox dentro de cuentas de hidrogel encapsuladas. En estas cuentas, las bacterias Comammox ocupaban la zona exterior aeróbica, mientras que las bacterias anammox residían en la capa anóxica a continuación. Esta interacción y disposición espacial dieron como resultado la eliminación de nitrógeno casi completa y la formación de NO3 significativamente reducida, una característica clave del tratamiento de aguas residuales, donde NO3, es un subproducto no deseado. La baja concentración de NO3 en las aguas residuales puede deberse a la actividad disimilatoria de amoníaco reductor de nitrato (DNRA) de bacterias anammox y/o desnitrificadores heterotróficos.

En otro estudio, se estableció una comunidad Comammox-Anammox utilizando nitrospira inopinata y anammox, que se centronalizó con carbono en cuentas de hidrogel. Esta nueva configuración del reactor utilizó el calentamiento radiante del carbono co-encapsulado con los organismos para lograr la eliminación de NH 4+ a baja temperatura (es decir, 4 grados) cuando se trata de efluentes primarios sintéticos y reales de plantas de tratamiento de residuos de residuos municipales.

Sobre la base de estos hallazgos, otros estudios han enfatizado que las altas concentraciones de oxígeno NH 4+ y bajas de oxígeno se encuentran entre los parámetros más relevantes para promover el enriquecimiento y la acción sinérgica de las bacterias facultativas y anaerobias para lograr la denitrificación de aguas residuales principales. La investigación futura debería centrarse en el desarrollo de formatos granulares adecuados para la secuencia de reactores por lotes (SBR) y debe probarse en condiciones prácticas y en sistemas de tratamiento de aguas residuales a mayor escala. Los sistemas granulares aumentan inherentemente las tasas de transferencia de masa debido a su mayor área superficial y una dinámica de flujo optimizada, que es esencial para la difusión eficiente de sustrato y oxígeno en la biopelícula. Además, estos sistemas tienen una mayor retención de biomasa, comunidades microbianas más estables y los requisitos de volumen de reactores se reducen considerablemente debido a la compacidad de los sistemas granulares. Los sistemas comammox-anammox granulares también son más tolerantes a las fluctuaciones en las concentraciones de sustrato y las condiciones ambientales. Teniendo en cuenta estas ventajas, el desarrollo de los sistemas granulares Comammox-Anammox podría ser un avance importante en la implementación práctica de esta interacción. El objetivo final es explotar la microerofilicidad de la interacción A. microbiophilum-anammox para ahorrar energía de aireación y maximizar el uso de esta asociación microbiana para una eliminación de nitrógeno eficiente.

La interacción simbiótica entre anammox y nitrato/nitrato/nitrito oxidante de metano anaeróbico (n-damo) microorganismos proporciona un enfoque único y ambientalmente sostenible para la eliminación simultánea de nitrógeno y metano anaerobio (CH4) en los sistemas de tratamiento de aguas residuales. La comunidad microbiana involucrada en el proceso N-Damo incluye un grupo bacteriano del Phylum NC10 (es decir, candidatus metylomirabilis) y un grupo arqueico del Phylum Euryarchaeota (es decir, candidatus metanoperedens). Las bacterias n-damo pueden reducir no 2- a N2, mientras que la arqueea n-damo reduce no 3- a NO 2-, ambos usando CH4 como donante de electrones. La combinación de anammox con el proceso n-damo permite la eliminación anaeróbica simultánea de Ch4 disuelto, nh 4+, no 2-, y no 3- de las aguas residuales. Los avances recientes han demostrado el acoplamiento sinérgico de los procesos anaeróbicos y DAMO en configuraciones de biorreactores, como los reactores de biopelículas de membrana (MBFR) y los reactores de biopelículas de lecho en movimiento (MBBR) junto con fibras huecas. Estas configuraciones de reactores permiten una retención de biomasa eficiente y la entrega de CH4 a través de membranas y fibras huecas, estableciendo así un microambiente óptimo para los organismos anammox y damo.

Sin embargo, a pesar de las ventajas de las configuraciones basadas en la membrana, existen desafíos en la implementación en sistemas a gran escala. La alta superficie de la membrana es necesaria para retener microorganismos de crecimiento lento, lo que aumenta significativamente los costos de inversión. Además, se necesitan aproximadamente 1-3 años para que las bacterias n-damo y anaerobia formen una biopelícula, lo que aumenta significativamente el tiempo de inicio. El desarrollo de DAMO granular proporciona nuevas opciones para configuraciones de reactores más eficientes, dando un paso hacia la aplicación práctica. El estudio mostró que el uso de gránulos anaeróbicos maduros como biocarriers aceleró la formación de gránulos N-damo. Esto es particularmente importante porque en estudios anteriores, tomó más de un año obtener gránulos N-Damo de flóculos suspendidos. El sistema granular damo-anammox también mostró tasas de transferencia de masa más altas, una mayor retención de biomasa, una reducción significativa en los requisitos de volumen del reactor y una mayor tolerancia a las fluctuaciones en la concentración de alimento y las condiciones de funcionamiento, como la velocidad y la temperatura de carga de nitrógeno. Aunque la interacción Anammox-N-Damo ha demostrado ser prometedora, sigue siendo un desafío extenderla de aplicaciones de laboratorio a aplicaciones a gran escala. La investigación futura se centrará en optimizar el proceso anaerobic-damo para mejorar la eficiencia de eliminación de nitrógeno y probar el proceso a temperaturas más bajas, abordar problemas de transferencia de masa y difusión, y realizar pruebas piloto utilizando aguas residuales reales.

La eliminación innovadora de nitrógeno de las aguas residuales utilizando interacciones microbianas anammox ofrece un nuevo enfoque para abordar los desafíos que persisten en la implementación de Anammox y los sistemas tradicionales de PN/A. La resistencia de AOA a las fluctuaciones ambientales y su alta afinidad por el oxígeno y NH 4+, junto con la capacidad de las bacterias Comammox para realizar dos pasos de nitrificación, ofrecen alternativas prometedoras a AOB para PN/A. Sin embargo, la lenta tasa de crecimiento de AOA y los desafíos de Comammox en la formación de biopelículas destacan las limitaciones intrínsecas que aún no se han superado mediante la investigación emergente. Además, a pesar de la promesa de las interacciones simbióticas entre los microorganismos anammox y n-damo a escala de laboratorio, escalar estas interacciones a aplicaciones a gran escala sigue siendo un desafío significativo y destaca la necesidad de una mayor investigación para optimizar estos procesos para aplicaciones del mundo real.

Estos estudios sugieren que la integración de estos procesos microbianos tiene el potencial de abordar algunos de los problemas potenciales con la implementación de Anammox, pero no resuelven completamente estos desafíos. Además, la integración de estas innovaciones presenta desafíos adicionales que deben abordarse. No obstante, existe el valor en explorar múltiples enfoques de investigación más allá de los métodos tradicionales, ya que este es el camino para crear nuevos descubrimientos, soluciones y aplicaciones. Además, estos estudios han hecho contribuciones significativas a la comprensión de la compleja dinámica microbiana que rodea las bacterias Anammox, que es fundamental para mejorar las unidades de tratamiento de aguas residuales existentes y nuevas. Aunque la aplicación de estas nuevas interacciones puede no proporcionar soluciones completas a los cuellos de botella existentes en el futuro previsible, destaca la necesidad de enfocar la investigación futura en la traducción de los éxitos de laboratorio en soluciones prácticas y escalables para el tratamiento de aguas residuales municipales.