アナモックスの新たなバイオテクノロジー応用

• アナモックス細菌とアンモニア酸化アルカエアとの相互作用、完全なアンモニア酸化細菌、および硝酸塩依存性嫌気性メタン酸化微生物は、低モモン除去剤から窒素除去にアナモックス細菌に亜硝酸塩を供給するための新しいアプローチを提供します。
• 材料科学の進歩は、アナモックス細菌とグラフェン酸化物、粒状活性炭、バイオ炭、さまざまな形態の鉄などの炭素質材料との相互作用がアナモックス活性と窒素除去を促進できることを示しています。
• アナモックス細菌の細胞外電子移動能力の発見は、これが同時エネルギー回収を伴う窒素除去に対する有望なエネルギー効率の高いアプローチであることを示唆しています。
• 生理食塩水の状態への海洋アナモックス細菌の固有の適応により、生理食塩水の流れを治療するための重要なツールになります。

嫌気性アンモニウム酸化（Anammox）は、エネルギー効率の高い窒素除去方法であり、過去10年間のアナモックスに関する研究は、主に国内の廃水処理への応用に焦点を当ててきました。ただし、新たな研究では、アプリケーションが新しいバイオテクノロジーアプリケーションと廃水処理プロセスに拡大しています。

アナモックス細菌は、電子受容体として亜硝酸塩（NO 2-）を使用して、窒素ガス（NH 4+）に直接嫌気的に酸化することができます（NH 4+）。これまで、アナモックスプロセスは、従来のエネルギー集約的な硝化\/脱窒プロセスと比較して、よりエネルギー効率が高く環境に優しい脱抑制法と考えられてきました。廃水処理にアナモックスを使用すると、エネルギー消費の60％の削減、外部炭素の添加の完全な排除、過剰スラッジ生産の80％の減少など、アナモックスプロセスがエネルギー中立またはエネルギー陽性の廃水処理を達成する重要な要素になります。 Anammoxは、産業およびサイドストリームの廃水処理のための本格的な施設で広く使用されています。さらに、3つの成功した本格的な主流のアナモックスアンモニウム植物がStrass（オーストリア）、Changi（シンガポール）、およびXi'an（中国）で報告されています。 Strass施設は、サイドストリームリアクターのアナモックス顆粒を主流のスラッジの補給を報告しています。反応器は、断続的な曝気下で動作し、亜硝酸酸化細菌（NOB）を制御します。さらに、Changi施設は、NOBを抑制するために、段階的フィーディングおよび交互の好気性および無酸素状態と組み合わせたアナモックスに富む凝集性スラッジを利用しています。 Xi'an施設は、バイオフィルムキャリアを使用して、無酸素タンクで成長の遅い細菌を保持しています。原子炉は断続的な曝気で動作して、亜硝酸産生のための溶存酸素勾配を生成します。特に、ChangiおよびXi'anの施設はもともとアナモックス用に設計されていませんでしたが、現在の廃水処理施設インフラストラクチャ内に本格的な主流のアナモックスを実装できるという証拠を提供します。これらのインストールは、主流の部分的な窒化\/アナモックス（PN\/A）の可能性を強調しています。さらに、嫌気性有機物治療（フェーズA）およびPN\/A（フェーズB）を使用した国内廃水処理は、実験室およびパイロットスケールで成功裏に実証されており、エネルギー中立の廃水処理に向けたステップをマークしています。

主流のPN\/Aの実証が成功したにもかかわらず、安定したNO 2-生産の必要性、低温でのパフォーマンスの低下、NH 4+濃度の低下、NOB活動を抑制する必要性など、主流の治療におけるアナモックスの広範な実装にはいくつかの課題があります。過去10年間の研究は、これらの制限に対処するために、国内の廃水を治療するためにアナモックスを完全に活用することに向けられてきました。安定したPNを達成し、低温と低いアンモニウム濃度での性能の向上、NOBの制御、および幅広い炭素と窒素比（C：N）での動作において、大きな進歩が遂げられています。さらに、最近の進歩により、アナモックス細菌の倍増時間の認識が変化しましたが、これはもはや技術の実施に対する障壁とは見なされていません。研究では、種によっては、急速な倍増時間がアナモックス細菌の固有の速度論的特性であることが示されています。さらに、アナモックス種の多様性の増加と培養方法の進歩により、これらの細菌は以前に予想よりも速く成長できることを示しており、成長率に関係なく技術を広く適用できるようになりました。

主流の環境でのアナモックスアプリケーションの従来の課題とボトルネックに対処するための努力がなされていますが、最近の研究は、廃水からの革新的な窒素除去のためのアナモックス微生物相互作用、アナモックス細菌の相互作用と材料と材料の補給を改善するためのアナモックス細菌の相互作用、アナモックスの補給、および栄養補助食品の補給など、これらの課題に対処するための革新的なアプローチにも焦点を当てています。アナモックス細菌。この研究は、海洋アナモックス細菌（MAB）を使用した生理食塩水廃水からのアンモニア除去などの新しいバイオテクノロジーアプリケーションを調査中に実施されています。

アナモックス細菌は、自然環境、廃水処理システム、濃縮培養で、他のさまざまな微生物集団と相互作用する複雑な生態学的ネットワークに存在します。アナモックスが廃水脱窒の重要なプロセスとして浮上したことを考えると、これらの複雑な微生物相互作用を理解することは、微生物窒素サイクリングの理解を豊かにするだけでなく、次世代の廃水処理技術を開発するためにも不可欠です。通常、1段階のPN\/Aシステムでは、アナモックス細菌が粒子中のアンモニア酸化細菌（AOB）と共存して、より効率的な脱窒を達成します。 AOBはNH 4+をNO2-に部分的に酸化し、生成されたNO2-はアナモックス細菌の電子受容体として機能し、NH 4+を酸化し、N2を生成します。 1段階のPN\/Aシステムの利点。

アナモックス細菌と（a）アンモニア酸化細菌（AOB）と亜硝酸酸化細菌（NOB）、（b）アンモニア酸化アルカエア（AOA）、（c）完全なアンモニア酸化（コマモクス）細菌、および（D）亜酸素依存性メタン化合酸化アナロビン酸虫化（D）との相互作用。

1段階のPN\/Aシステムは2段階のシステムよりも利点がありますが、AOBとアナモックスの活動に影響する低い温度は、安定したNO 2-生産を維持しますが、バイオリアクターの操作と、自治体の廃棄物処理におけるアナモックスプロセスの実施に課題をもたらします。さらに、PNの酸素依存性の性質は、反応器の動作に複雑さの層を追加します。不十分な酸素供給は、NH {4+の酸化を2-に制限する可能性があり、それによりアナモックス細菌によるNH 4+の除去に影響します。逆に、過剰な曝気は過剰なNO2産生につながる可能性があり、アナモックス細菌を阻害し、NOBを刺激します。これにより、硝酸塩（NO3–）とNOBが豊富な排水が生成されます。 NO3の蓄積は、アナモックス細菌またはNOBの固有の代謝活性によるものであろうと、排水の全体的な品質を低下させる可能性があります。したがって、Anammoxに2-を供給するには、より効率的で安定した方法を開発する必要があります。

アナモックスとアンモニア酸化アルカエア（AOA）との結合は、AOBを使用した従来のPN\/Aと比較して、より堅牢で効率的な治療システムを提供することを約束する新たな研究分野です。 AOAは、酸素最小ゾーン（OMZ）などのさまざまな油栄養環境で見られるThaumarchaeota門の支配的な枝です。 AOBと比較して、AOAは周囲温度の変動に対してより高い回復力を持ち、酸素とNH 4+に対して有意に高い親和性を持っています。 AOAのNH 4+と酸素に対する高い親和性により、基質濃度が低い環境で効率的に動作することができます。これらの特性により、AOAは、温度変化や低アンモニウム濃度などの変動する動作条件を持つ家庭用廃水処理のためのアナモックスとの組み合わせに適している可能性があります。バイオフィルムモデルは、AOAがより低いアンモニア濃度でAOBよりも2-のより安定したソースを提供する可能性があることを示唆しています。

これらの研究は、AOA-Anammoxシステムの可能性について有望な洞察を提供しますが、この大規模なアプリケーションでのこの微生物パートナーシップを最適化することは依然として課題です。さらに、AOAは成長率の低下とバイオフィルムを形成する能力が低いことで妨げられているため、急速な微生物活性と安定したバイオフィルム形成が重要な実際のアプリケーションには適していません。対照的に、完全なアンモニア酸化細菌（コマモクス）細菌は、より効率的な代替品を提供します。 AOAと比較して、コマミオムバクテリアはより高い成長速度を示すだけでなく、より広い基質親和性を示し、アナモックスに結合したバイオフィルムの成長の可能性を提供します。コマモクスバクテリアは、硝化の両方のステップを実行し、単一の生物でNH 4+をNO2からNO3に酸化することができるユニークな能力を備えたニトロスピラ属のサブセットです。研究では、実験室および大規模な廃水処理システムにおける脱窒中のコマモンとアナモックス細菌の共存と協力が報告されています。ただし、これらのシステムは、最初はアナモックスコマモックスのコミュニティを具体的に濃縮するように設計されていませんでした。合成コミュニティの設計と確立はより困難であり、そのような相互作用を設計または豊かにしようとした研究は少なくなっています。 Gottshallと同僚による研究により、カプセル化されたヒドロゲルビーズ内の合成アナモックスコマモクス群集が確立されました。これらのビーズでは、コマミオムバクテリアが好気性の外側ゾーンを占め、アナモックス細菌は下の無酸素層に存在していました。この相互作用と空間的配置により、ほぼ完全な窒素除去がもたらされ、NO3-形成が大幅に減少しました。これは、NO3が不要な副産物である廃水処理の重要な特徴です。廃水の低いNO3 - 濃度は、アナモックス細菌および\/または従属栄養デニチリフィアの異系硝酸還元アンモニア（DNRA）活性によるものである可能性があります。

別の研究では、ハイドロゲルビーズの炭素と共同抑制されたニトロスピラ・イノピナタとアナモックスを使用して、コマモックスアナモックス群集が確立されました。この新規反応器構成は、生物と同時カプセル化された炭素の放射加熱を利用して、市の廃水処理プラントから合成および実際の原発排水を治療する際に、低温でほぼ完全なNH 4+除去を達成しました（つまり、4度）。

これらの調査結果に基づいて、さらなる研究により、主要な廃棄物脱還元を達成するために、高NH 4+および低酸素濃度が最も関連性の高いパラメーターの1つであることが強調されています。将来の研究では、バッチリアクター（SBR）のシーケンスに適した粒状形式の開発に焦点を当てる必要があり、実用的な条件下および大規模な廃水処理システムでテストする必要があります。粒状システムは、表面積の増加と最適化されたフローダイナミクスのために、本質的に物質移動速度を増加させます。これは、基質と酸素のバイオフィルムへの効率的な拡散に不可欠です。さらに、これらのシステムは、粒状システムのコンパクト性により、バイオマス保持、より安定した微生物群集、および反応器の体積要件が大幅に削減されます。粒状のコマモックスアナモックスシステムは、基質濃度と環境条件の変動に対しても耐性があります。これらの利点を考慮すると、粒状コマモックスアナモックスシステムの開発は、この相互作用の実際の実装における大きな進歩である可能性があります。究極の目標は、A。microbiophilum-anammox相互作用の微小La骨性を活用して、通気エネルギーを節約し、効率的な窒素除去のためにこの微生物パートナーシップの使用を最大化することです。

アナモックスと硝酸塩\/硝酸塩依存性嫌気性メタン酸化（N-DAMO）微生物の間の共生相互作用は、廃水処理システムにおける嫌気性ニトロゲンとメタン（CH4）を同時に除去するためのユニークで環境的に持続可能なアプローチを提供します。 N-DAMOプロセスに関与する微生物群集には、門門NC10（すなわち、カンジダスメチロミラビリス）の細菌群と、門の門岩（つまり、Candidatus methanoperedens）の古細菌群が含まれます。 n-damo細菌は2-をn2に減らすことができますが、n-damo archaeaは{3-を3-に減らし、両方とも電子ドナーとしてCH4を使用します。アナモックスとn-DAMOプロセスを組み合わせることで、溶解CH4、NH 4+、2-、および廃水からno 3-の同時嫌気性除去が可能になります。最近の進歩により、膜バイオフィルム反応器（MBFR）や移動床のバイオフィルム反応器（MBBR）などのバイオリアクター構成における嫌気性およびDAMOプロセスの相乗的結合が中空繊維と組み合わせたことが実証されています。これらの原子炉構成により、膜と中空の繊維を介した効率的なバイオマス保持とCH4送達が可能になり、アナモックスおよびダモ生物の最適な微小環境が確立されます。

ただし、膜ベースの構成の利点にもかかわらず、大規模なシステムでそれらを実装することには課題があります。膜の高い表面積は、成長が遅い微生物を保持するために必要であり、投資コストを大幅に増加させます。さらに、N-DAMOと嫌気性細菌がバイオフィルムを形成するには、約1-3年がかかります。これにより、起動時間が大幅に増加します。粒状ダモの開発は、より効率的な原子炉構成のための新しいオプションを提供し、実用的なアプリケーションに向けて一歩を踏み出します。この研究は、生物媒介として成熟した嫌気性顆粒の使用がN-DAMO顆粒の形成を加速することを示しました。これは特に重要です。これは、以前の研究では、懸濁したフロックからN-DAMO顆粒を得るのに1年以上かかったからです。粒状ダモ - アナモックスシステムは、高物質移動速度、バイオマス維持率の高度、原子炉体積要件の大幅な減少、および飼料濃度の変動に対する耐性や窒素負荷速度や温度などの動作条件に対する耐性が高いことを示しました。 Anammox-N-Damoの相互作用は有望であることを示していますが、実験室アプリケーションから大規模なアプリケーションに拡張することは依然として課題です。将来の研究では、嫌気性ダモプロセスを最適化して窒素除去効率を改善し、低温でのプロセスのテスト、物質移動と拡散の問題に対処し、実際の廃水を使用したパイロットテストの実施に焦点を当てます。

アナモックス微生物相互作用を使用した廃水からの革新的な窒素除去は、アナモックスの実装と従来のPN\/Aシステムに持続する課題に対処するための新しいアプローチを提供します。環境変動に対するAOAの回復力と、酸素とNH 4+に対するその高い親和性と、コマミオムバクテリアが2つの硝化ステップを実行する能力は、PN\/AのAOBに有望な代替品を提供します。ただし、バイオフィルム層におけるAOAの成長率と課題の課題は、新たな研究によってまだ克服されていない本質的な制限を強調しています。さらに、実験室スケールでのアナモックスとN-DAMOの微生物の間の共生相互作用の約束にもかかわらず、これらの相互作用を本格的なアプリケーションに拡大することは依然として重要な課題であり、実際のアプリケーションのこれらのプロセスを最適化するためのさらなる研究の必要性を強調しています。

これらの研究は、これらの微生物プロセスを統合することは、アナモックスの実装に関する潜在的な問題のいくつかに対処する可能性があることを示唆していますが、これらの課題を完全には解決しないことを示唆しています。さらに、これらのイノベーションの統合は、対処する必要がある追加の課題を提示します。それにもかかわらず、これは新しい発見、ソリューション、アプリケーションを作成するための道であるため、従来の方法を超えて複数の研究アプローチを探ることには価値があります。さらに、これらの研究は、アナモックス細菌を取り巻く複雑な微生物ダイナミクスの理解に大きく貢献してきました。これは、既存および新しい廃水処理ユニットを改善するために重要です。これらの新しい相互作用の適用は、近い将来、既存のボトルネックに完全なソリューションを提供しない場合がありますが、実験室の成功を都市廃水処理のための実用的でスケーラブルなソリューションに変換することに将来の研究に焦点を当てる必要性を強調しています。