Anammoks

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Anammoksi SBR reaktor

Anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon (lühendatult anammoks) on oluline mikrobioloogiline lämmastikuringe osa[1]. Olemuselt on see bioloogiline lämmastikuühendite muundamisprotsess, mida viivad läbi mikroobid.

Seda läbiviivad bakterid avastati 1991. aastal ning sellel ajal oli see suur avastus teadlastele[2]. See protsess toimub iseseisvalt ka paljudes looduslikes keskkondades.

Protsessi taust[muuda | muuda lähteteksti]

Anaeroobse ammooniumi oksüdatsiooni käigus nitrit ja ammoonium reageerivad, moodustades molekulaarse lämmastiku gaasi ning vee. Anammoks toodab 50% molekulaarsest lämmastikust, mis tekib ookeanides. Selle protsessi käigus kulub hulgaliselt seotud lämmastikku ja piirab seega ookeanide primaarproduktsiooni. Üldine reaktsioon näeb välja selline:

NH4+ + NO2 → N2 + 2H2O.

Anammoksi läbi viivad bakterid kuuluvad hõimkonda Planctomycetes, nendest tuntuimad on Planctomyces ja Pirellula. Anammoksi bakteritele on omased mitmed huvitavad omadused. Neil kõigil on üks anamoksüsoom ehk rakumembraaniga seotud ruum tsütoplasmas, kus toimub ammooniumi lagundamise reaktsioon. Lisaks sisaldavad need bakterid unikaalseid lipiide. Huvitav on ka hüdrasiini (tavaliselt kasutatakse raketikütusena ning on mürgine enamikule organismidele) lämmastiku tootmisel vaheainena kasutamine. Viimane omadus on organismi väga aeglane kasvukiirus. Populatsiooni kahekordistumiseks kulub umbes 2 nädalat. Algselt arvati, et reaktsioon toimub ainult temperatuuridel 20 kuni 43 °C[3]. Viimasel ajal on sellise reaktsiooni toimumist märgatud ka kuumaveeallikates temperatuuridel 36 kuni 52 °C[4] ja veealuste kuumaveeallikate lõõrides Atlandi ookeani keskahelikus temperatuuridel 60 °C kuni 85 °C[5]. Maksimaalne protsessi läbiviiva kohandamata biomassi aktiivsus esineb temperatuuridel 35 kuni 40 °C.

Anammoksi mikroorganismide avastamine on suuresti täiendanud meie arusaama lämmastiku ringlusest. Keskkonnabiotehnoloogias pakub anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon head lahendust lämmastikuärastuseks kõrge ammooniumi kontsentratsiooniga heitveest.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

21. sajandi alguses valitses teadlaste seas arvamus, et ainsad lämmastikuärastuse võimalused on denitrifikatsioon ja akumulatsioon ookeani setetesse. Tänapäevaks on selgunud, et eksisteerib veel alternatiivseid protsesse. Kõige olulisem neist on anaeroobne lämmastiku oksüdatsioon (anammoks).

Juba aastast 1941 pakuti välja teooriaid, mis väitsid, et ammooniumi saaks oksüdeerida anaeroobselt. Austria teoreetiline keemik Engelbert Broda oli esimene, kes 1977. aastal märkas anaeroobse oksüdatsiooni võimalust. Ta avastas, et ammooniumi reaktsioon nitraadiga on Gibbsi vabaenergia arvutuste kohaselt energeetiliselt kasulik.

Esimene otsene tõend selle kohta leiti 1990. aastal ühes heitvee puhastusjaamas. Üheksa aastat hiljem tehti kindlaks ka seda läbi viivad mikroobid, kelleks osutusid hõimkonda Planctomycetale|Planctomycetes kuuluvad kuuluvad bakterid. Aastal 2002 leiti ka otseseid tõendeid selle protsessi kohta looduslikus keskkonnas.

Samaaegset ammooniumi eemaldamist ja lämmastiku tootmist vaadeldi tööstuslikus veepuhastusjaamas Hollandis 1986. aastal[6].

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Kõrge lämmastikukontsentratsiooniga heitvesi võib looduskeskkonda sattudes olla toksiline vees leiduvatele organismidele, põhjustada liigset hapniku vähenemist, eutrofeerumist ja vähendada klooripõhise desinfitseerimise efektiivsust. Järelikult on lämmastikuühendite vähendamine väga oluline. Lämmastikuühendeid saab eemaldada heitveest mitmete keemiliste ja bioloogiliste protsesside abil. Bioloogilised protsessid on efektiivsemad ja võrreldes muude võimalustega suhteliselt odavad ning seega eelistatakse tihti mikrobioloogilisi rakendusi.

Anammoksi põhiline eesmärk on ammooniumi eemaldamine heitveest, mis koosneb kahest eraldi protsessist. Esimene osa on poole ammooniumi osaline nitrifikatsioon nitritiks tänu ammooniumeid oksüdeerivatele bakteritele.

4NH4+ + 3O2 → 2NH4+ + 2NO2- + 4H+ + 2H2O

Ülejäänud ammoonium ja nitrit muudetakse anammoksi protsessis bakterite poolt molekulaarseks lämmastikuks ja umbes 15 % nitraadiks.

NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O.

Mõlemad protsessid saavad toimuda ühes reaktoris. Edukaks protsessiks kasutatakse biokilekandjaid rohkem kui 20 päeva vanuse limakihiga. Võimalikud reaktorid on SBR, liikuva kandjaga reaktor ja gaasi ringlusel põhinev reaktor. Hiljutised uuringud on näidanud, et anammoksi bakterid suudavad oksüdeerida ka orgaanilisi happeid, nagu atsetaate, metanaate, metüülamiine ja propanaate. Seeläbi lagundatakse lisaks kahjulikele lämmastikuühenditele ka orgaanikat.

Standardsed lämmastikuärastuse meetodid eeldavad üsna suures koguses energiat ja orgaanilise süsiniku allikat. Lämmastiku ärastamine reoveest anammoksi meetodil on tänu sellele märkimisväärselt soodsam. Kuigi see tehnoloogia on ikka veel algusjärgus, eksisteerib ka juba täismahus töötavaid ning seda meetodit kasutavaid jaamu. Esimene täielikult anammoks-protsessi rakendav reoveepuhastusjaam valmis 2002. aastal Hollandis. Eksisteerib ka heitvee puhasteid, kus seda protsessi on märgatud, kuid selle eesmärgiga seda asutust ei rajatud. Näiteks Saksamaal Hattiganis. 2006. aastaks töötasid Hollandis juba kolm lämmastikuärastuse reaktorit, mis kasutasid anaeroobset ammooniumi oksüdatsiooni. Nendest jaamadest oli üks munitsipaalheitveepuhasti ning kaks tööstuslikku. Tööstuslikud jaamad teenindasid nahaparkimistöökoda ning kartulitöötlemistehast.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Arrigo, R. A. "Marine microorganisms and global nutrient cycles". Nature 437, 349–355 (2005)
  2. Strous, M. et al. "Missing lithotroph identified as new planctomycete". Nature 400, 446–449 (1999)
  3. Strous, M., Kuenen, J.G., Jetten, M.S. 1999. "Key Physiology of Anaerobic Ammonium Oxidation". App. Environ. Microb. (3248-3250)
  4. Jaeschke et al. 2009. "16s rRNA gene and lipid biomarker evidence for anaerobic ammonium-oxidizing bacteria (anammox) in California and Nevada hot springs". FEMS Microbiol. Ecol. 343-350
  5. Byrne, N., Strous, M., Crepeau, V, et al. 2008. "Presence and activity of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria at deep-sea hydrothermal vents". The ISME Journal.
  6. http://www.up.ethz.ch/education/term_paper/termpaper_hs07/HERTACH_rev_termpaper_hs07.pdf