Aerob oxidation av metan kopplad till denitrifikation (AME-D) är en viktig länk mellan de globala metan- och kvävecyklerna. Denna genomgång sammanfattar kunskaperna om aeroba metanotrofer och denitrifierare, belyser möjliga mikrobiella mekanismer och antyder såväl potentiella applikationer av AME-D för avskiljning av kväve från avloppsvatten som potentiella risker för den globala klimatförändringen.
Av: Bengt Andersson
Idéer om att använda metan som kolkälla för denitrifikation har funnits ända sedan början av 1970-talet. Många studier har visat att metan har en potential som elektrongivare för denitrifikation. Genom produktion av metan på plats t.ex. vid rötning av slam kan alternativet bli ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.
Metanoxidation kopplad till denitrifikation kan ske antingen aerobt (AME-D) eller anaerobt (ANME-D) beroende på om syre finns tillgängligt eller inte.
Refererad genomgång syftade till att belysa kunskaperna om taxonomi och fysiologi av funktionella mikrober i AME-D processen, där osäkra områden värderats och uppskattats med hjälp av termodynamiska betraktelser. Vidare har sammanställts tänkbara metoder, både traditionella och potentiellt avancerade, för att tyda samspelet mellan aerob metanoxidation och denitrifikationsprocessen. Slutligen diskuteras potentiella applikationer av och framtida utmaningar med en AME-D process för rening av avloppsvatten.
Sammanfattning av genomgången
I en AME-D förekommer metanotrofer och denitrifierare. Aeroba metanotrofer oxiderar metan till koldioxid och vid reaktionskedjan bildas olika mellanprodukter med hjälp av olika enzym. Metan oxideras till metanol, som oxideras vidare till formaldehyd. Formaldehyd kan antingen assimileras och det bildas acetat och citrat eller dissimileras till koldioxid via format. Idag har ett 20-tal klasser av aeroba metanotrofer karakteriserats och validerats och kännetecknande är att de är mer diversifierade än man trott tidigare. Förekomsten av denitrifierare är blandad och omfattar både bakterier, arkéer och svampar och kunskaperna om dem är väl kända.
AME-D processens mikrobiella mekanismer
Trots flera studier av denitrifikation med metan som kolkälla vid aeroba förhållanden är mekanismerna för AME-D processen fortfarande tvetydiga beroende på den fysiologiska och taxonomiska komplexiteten i den mikrobiologiska sammansättningen. För närvarande finns två förslag till förklaring av processen. Den ena förklaringen är en samverkande metabolism mellan metanotrofer och denitrifierare och den andra är partiell denitrifikation av aeroba metanotrofer med lustgas som slutlig produkt.
Den första förklaringen bygger på en mikrobiell samverkan, där denitrifierande bakterier utnyttjar mellanprodukter av kol (metanol, citrat och acetat), som utsöndrats av aeroba metanotrofer som energi- och kolkälla. Termodynamiska uppskattningar visade att metanol är den ideala elektrondonatorn för denitrifikation och utgör en trofisk länk mellan metanotrofa bakterier och denitrifierare. Denitrifierare involverade i AME-D kan vara anaeroba och/eller aeroba och eftersom de kan finnas samtidigt i processen är det svårt att avgöra in situ hur elektronerna tranformeras.
Den andra förklaringen har upptäckts nyligen i studier som visat att AME-D inte bara begränsas till konventionell synergism mellan metanotrofer och denitrifierare. Specifikt har demonstrerats att en oumbärlig aerob metanotrof bakterie, Methylomonas denitrificans FJG1, kan koppla partiell denitrifikation med metanoxidation vid låga syrehalter med lustgas som slutprodukt. Först demonstrerades detta vid förhållanden med höga nitrithalter och senare även vid nitratrespiration och samtidig metanoxidation. Dessa upptäckter har inte bara skapat en ökad förståelse för mekanismerna för AME-D utan har även antytt en okänd roll för de aeroba metanotroferna för den globala klimatförändringen genom deras inverkan på både metan- och kvävecyklerna i ekosystemet.
Ytterligare undersökningar av mikrobiologi och mekanismer i AME-D är avgörande för att bättre förstå de globala klimatfrågorna och för att utveckla praktiska biotekniklösningar. Traditionella mikrobiologiska tekniker kompletteras efter hand successivt med nya kraftfulla tekniker, som genomik och metagenomik för bestämning och analys av arvsmassan hos alla organismer i en viss miljö, FISH-SIMS (Fluorescence In Situ Hybridization – Secondary Ion Mass Spectrometry) för studier av kol- och kvävecyklerna på enskild cell nivå och DNA SIP (DNA Stable Isotope Probing) för identifiering av aktiva organismer som assimilerar specifika kolföreningar.
Potentiella applikationer vid avloppsvattenrening
Applikationsmässigt finns det en stor potential för avskiljning av kväve från avloppsvatten med en AME-D process men det är endast ett fåtal studier som genomförts och implementering av processen är långt ifrån en ingenjörsmässig applikation. Studier har genomförts i aktivtslamanläggningar och SBR-anläggningar men störst potential verkar finnas genom att kombinera AME-D med en membran biofilm reaktor (MBfR). Försök har utförts i laboratorieskala med bra resultat men det finns dock några inneboende begränsningar som måste beaktas och värderas.
AME-D processen bygger på tillsats av två brännbara gaser, metan och syre, och det innebär en potentiell risk vid samtidig hantering av dessa. Vidare måste en hög och stabil nitratavskiljning uppnås samtidigt som utsläppet av lustgas måste begränsas. Genomförda studier har endast betraktat nitratavskiljningen och lustgasemissionerna har förbisetts. Produktionen av lustgas i processen innebär en stor nackdel som måste lösas om processen skall kunna komma till användning. Driftkostnader och investeringskostnader är även faktorer som måste beaktas noggrant.
AME-D.s roll för den globala klimatförändringen
De nya rönen att aeroba metanotrofer både kan oxidera metan och svara för en partiell denitrifikation visar att AME-D är en viktig länk mellan de globala metan- och kvävecyklerna. De aeroba metanotroferna har därför en stor roll i den globala klimatförändringen med utsläpp av lustgas vid partiell denitrifikation, en 300 gånger starkare växthusgas än koldioxid.
Källa: J. Zhu, Q. Wang, M. Yuan, G-Y. Tan, F. Sun, C. Wang, W. Wu, P-H. Lee. Microbiology and potential applications of aerobic methane oxidation coupled to denitrification (AMD-E) process: A review. Water Research 90 (2016) pp 203 – 215.
