Ammoniumoxiderande mikroorganismer involverade i anläggningar med nitrifikation vid låg syrehalt undersöktes i kemostater som ympats med slam anpassat dels till låg syrehalt dels till högre syreförhållanden från olika fullskaleanläggningar. Resultaten visade att hittills icke karakteriserade ammoniumoxiderande organismer svarade för nitrifikation vid låg syrehalt.
Av: Bengt Andersson
Lufttillförseln för aerob nedbrytning av organiskt material, nitrifikation och biologisk fosforavskiljning i biologiska processer står för en mycket stor andel av energiförbrukningen vid ett reningsverk. Genom att minska luftningen och driva processen med låg syrehalt kan en energibesparing uppnås förutsatt att gällande krav uppnås. Det finns många exempel på att anläggningar med syrehalter under 0,5 mg/l uppvisar en stabil nitrifikation men det är oklart vilka organismer som gör detta möjligt.
Ammoniumoxiderande bakterier (AOB) är vanliga vid nitrifikation vid hög syrehalt. Förekomst av ammoniumoxiderande arkéer (AOA) har påvisats i anläggningar med låg syrehalt i stora delar av bassängerna men inte i anläggningar med hög syrehalt. Senare undersökningar i laboratorieskala har dock visat en försumbar förekomst av AOA vid nitrifikation vid låg syrehalt och effekten av syrehalten på populationerna av AOB och AOA har inte kunnat klargöras. Andra organismer, som anammoxbakterier och heterotrofa nitrifierare, skulle därför kunna vara viktiga för nitrifikation vid låg syrehalt.
Syftet med genomförd studie var att undersöka vilka mikroorganismer som svarar för nitrifikation vid låga syrehalter med ammonium som enda energikälla. Modern mikrobiologisk teknik användes för att utvärdera den relativa förekomsten av AOB och AOA i försöksreaktorerna, för att öka förståelsen för sammansättning och förekomst av olika organismer i reaktorerna och för odling av andra organismer, som kan spela en roll vid nitrifikation vid lågt syre.
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes i två parallella kemostater, som belastades så att slamålder och hydraulisk uppehållstid blev 10 dygn. Syrehalten hölls under 0,3 mg/l genom justering av blandningen av kvävgas och luft. Ett syntetiskt medium med 30 mg NH4+-N/l tillfördes reaktorerna. Försöken genomfördes vid rumstemperatur.
Den ena reaktorn, RNS, ympades med slam från Nine Springs WWTP i Madison Wisconsin, som använde en modifierad UCT-process för biologisk fosforavskiljning och nitrifikation och där syrehalten i det aeroba steget var högre än 2 mg/l. Den andra reaktorn, RJP, ympades med slam från Jefferson Peak WWTP i Oak Ridge New Jersey, som använde en MBR för långtgående kväve- och fosforavskiljning och där syrehalten i över 90 % av anläggningen var mindre än 0,2 mg/l.
Prov från biomassan i båda reaktorerna sparades varje vecka för DNA-extraktion och analys av ammonium, nitrit, nitrat och hydroxylamin. Modern och avancerade mikrobiologisk teknik användes i form av qPCR (quantitative polymerase chain reaction) inriktad mot ammonium monooxygenase genen (amoA) för att utvärdera den relativa förekomsten av AOB och AOA, tag pyrosequencing inriktad mot rRNA för att öka förståelsen för sammansättningen av organismer i reaktorerna, FISH-analyser för identifiering av specifika organismer samt kloning och sekventiering för jämförelse av erhållna resultat med en gendatabank. Anrikning och isolering gjordes av slammet från RJP under autotrofa och heterotrofa förhållanden.
Resultat
Fullständig nitrifikation med ackumulering av nitrat erhölls i de båda reaktorerna. Reaktorn RJP, som ympats med slam redan anpassat till en låg syrehalt, hade en väl fungerande mikrobiologisk sammansättning för ammonium- och nitritoxidation vid lågt syre utan fördröjning av nitrifikationen och med endast en mindre ökning av nitrithalten mellan den femte och tionde dagen. I den andra reaktorn RNS, som ympats med slam som inte var anpassat till låg syrehalt, erhölls en signifikant fördröjning av nitrifikationen med en ackumulering av nitrit och där en stabil nitrifikation inte inträffade förrän efter 35 dygn. Resultatet visade att ympen till RNS inte innehöll effektiva ammonium- och nitritoxiderande organismer för förhållanden med låg syrehalt men att en anrikning skedde i reaktorn under försöket.
Den mikrobiologiska karakteriseringen av biomassan från reaktorerna med hjälp av qPCR, pyrosekventiering och FISH visade att förekomsten av anammox eller AOA inte var signifikant i någon av reaktorerna, att förekomsten av AOB i RJP, som ympats med slam anpassat till låga syreförhållanden, inte var signifikant, och att förekomsten av AOB i RNS, som ympats med slam som inte anpassats till låga syreförhållanden, var begränsad. Resultaten gav belägg för hypotesen att ammoniumoxidationen i reaktorerna och särskilt i RJP med slam anpassat till låga syreförhållanden utfördes av ännu icke karakteriserade ammoniumoxiderande organismer.
Odlingsförsök med slam från RJP resulterade i en isolering av flera bakteriefamiljer, där ammoniumoxidation testades vid heterotrofa och autotrofa förhållanden. Resultaten visade att de isolerade bakterierna hade en förmåga till upptag av ammonium under både autotrofa och heterotrofa förhållanden på en högre nivå än den som förväntades på grund av assimilation.
Försöken visade att bakterier ur familjen Xanthomonadaceae kan vara involverade i nitrifikation vid låg syrehalt och att bakterierna kan både växa autotroft med ammonium som enda energikälla och utnyttja mer ammonium än förväntat under heterotrof tillväxt. En annan organism isolerad autotroft var Rhodococcus, som även fanns med i resultaten från pyrosekventiering av slam från RJP. Pseudomonas kunde räknas till bakterier kopplade till låga syrehalter och heterotrof nitrifikation enligt en korrelationsanalys och Sphingomonas, som isolerades heterotroft, visade en hög ammoniumkonsumtion vid både heterotrofa och autotrofa förhållanden.
Slutsatser
Studien visade att
- Inga kända ammoniumoxiderande prokaryoter kunde identifieras i signifikant koncentration i reaktorn ympad med slam från en anläggning med nitrifikation vid låg syrehalt. AOB identifierades som den enda kända ammoniumoxiderande prokaryoten i reaktorn ympad med slam från en anläggning med nitrifikation vid högt syre, om än i låg förekomst.
- Ingen av reaktorerna hade någon signifikant population av AOA eller anammox organismer.
- Organismer isolerade från reaktorn med slam från nitrifikation vid lågt syre var kapabla till autotrof eller heterotrof ammoniumoxidation dock utan en stökiometrisk ackumulation av nitrit och nitrat
- Baserat på experimentella resultat föreslogs att Pseudomonas, Xanthomonadaceae, Rhodococcus och Sphingomonas kan medverka vid ammoniumoxidation i system med låg syrehalt
- Nuvarande förståelse för aerob nitrifikation vid låg syrehalt är bristfällig och ytterligare FoU-arbete erfordras.
Källa: C.M. Fitzgeral, P. Camejo, J.Z. Oshlag, D.R. Noguera. Ammonia-oxidizing microbial communities in reactors with efficient nitrification at low-dissolved oxygen. Water Research 70 (2015) pp 38 – 51.
