Συμβολή στην κατανόηση βιοχημικών μηχανισμών της αφαίρεσης φωσφορικού και διερεύνηση της μικροβιακής ποικιλότητας κατά την τριτοβάθμια βιολογική επεξεργασία λυμάτων.
Authors: Ζαφειριάδης Ηλίας 
Published: August 2021

Αντικείμενα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσαν η κατανόηση των βιοχημικών μηχανισμών και η διερεύνηση της μικροβιακής ποικιλότητας κατά την εκτεταμένη βιολογική αφαίρεση φωσφόρου (Enhanced biological phosphorus removal- EBPR) υπό ανοξικές συνθήκες.Προκειμένου να επιτευχθούν οι παραπάνω ερευνητικοί στόχοι ήταν απαραίτητη η διαμόρφωση και λειτουργία εργαστηριακών συστημάτων επεξεργασίας αποβλήτων, συνεχούς ροής, όπου επιτυγχάνονταν ταυτόχρονη απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου από το επεξεργαζόμενο απόβλητο που κατά περίπτωση ήταν πραγματικό αστικό λύμα ή συνθετικό υγρό απόβλητο. Επιπλέον μια σειρά αντιδραστήρων διαλείποντος έργου λειτούργησαν με σκοπό την πραγματοποίηση πειραμάτων υπό αυστηρά καθορισμένες και ελεγχόμενες συνθήκες.Συγκεκριμένα στο πλαίσιο της διερεύνησης της μεταβολικής λειτουργίας ενεργού ιλύος προσαρμοσμένης να επιτελεί EBPR υπό ανοξικές συνθήκες εξετάστηκε η επίδραση του ανθρακούχου υποστρώματος στην αποτελεσματικότητα της βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου. Διαδοχικά χρησιμοποιήθηκαν τα οξικό, προπιονικό, μηλικό, φουμαρικό και οξαλοξικό οξύ ως ανθρακούχα υποστρώματα και διαπιστώθηκε ότι μόνο τα δύο πρώτα ευνοούσαν την αφαίρεση φωσφόρου ενώ αντίθετα τα υπόλοιπα ανέστειλαν τη βιολογική αυτή διεργασία. Διαπιστώθηκε επίσης ότι υπό αναερόβιες συνθήκες πραγματοποιούνται ορισμένες εκ των αντιδράσεων του κύκλου του Krebs, ενώ η φύση του ανθρακούχου υποστρώματος αποδείχθηκε ότι καθορίζει την κατεύθυνση προς την οποία επιτελούνται οι αμφίδρομες αυτές αντιδράσεις. Επιπλέον υπολογίστηκε ο συντελεστής αφομοίωσης της βιομάζας που κυμάνθηκε μεταξύ 0.22-0.24 g VSS g-1 COD, σχεδόν ίδιος για όλα τα υποστρώματα. Αντίθετα σημαντική διαφοροποίηση διαπιστώθηκε στο ρυθμό παραγωγής και κατανάλωσης ATP όταν απομακρύνονταν αποτελεσματικά τα φωσφορικά ιόντα από το μικτό υγρό, δηλαδή όταν τα οξικό ή προπιονικό χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα σε σχέση με τα υπόλοιπα τρία ενδιάμεσα του κύκλου Krebs. Πιστοποιήθηκε προσδιορίζοντας ειδικές ενζυμικές δραστικότητες σε ομογενοποιήματα ενεργού ιλύος η συμμετοχή της αλκαλικής φωσφατάσης και της εξωπολυφωσφατάσης στη διεργασία της βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου. Επιπλέον διαπιστώθηκε δραστικότητα ισοκιτρικής λυάσης και μηλικής συνθάσης σε ομογενοποιήματα ιλύος προερχόμενα τόσο από αναερόβιες όσο και από ανοξικές δεξαμενές, γεγονός που συνηγορεί στην αναερόβια λειτουργία των αναπληρωματικών αντιδράσεων του κύκλου του γλυοξυλικού. Επιπλέον υποδείχθηκε διαφορετικός μεταβολικός μηχανισμός για την αναερόβια αξιοποίηση των οξικού και προπιονικού από ενεργό ιλύ που επιτελεί EBPR υπό ανοξικές συνθήκες.Παρέχοντας ταυτόχρονα ηλεκτρονιακό δότη (οξικό οξύ) και δέκτη (οξυγόνο ή νιτρικά ιόντα) στην ενεργό ιλύ σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου προκλήθηκε αναστολή της EBPR μέχρις εξάντλησης του ηλεκτρονιακού δέκτη. Η μεταβολική συμπεριφορά της ιλύος στις συνθήκες αυτές αντιστοιχούσε σε αναερόβιες συνθήκες αν και στο μικτό υγρό υπήρχε επαρκής ποσότητα οξυγόνου ή νιτρικών ιόντων. Η εξάντληση του ανθρακούχου υποστρώματος οδήγησε το μεταβολισμό της ιλύος προς το τυπικό αερόβιο / ανοξικό σχήμα.Σε όμοιους αντιδραστήρες εξετάστηκε η χρήση αστικού λύματος αντί οξικού οξέος ως υπόστρωμα για την EBPR. Βρέθηκε ότι ο ειδικός ρυθμός πρόσληψης φωσφορικού με αστικό λύμα ήταν μειωμένος σε σχέση με τον αντίστοιχο όταν οξικό οξύ χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα της EBPR υπό ανοξικές συνθήκες. Αντίθετα δεν περιορίστηκε ο ειδικός ρυθμός πρόσληψης φωσφορικού υπό αερόβιες συνθήκες.Προκειμένου να διερευνηθεί η διαδοχή των απονιτροποιητικών βακτηριακών στελεχών κατά τη διάρκεια της προσαρμογής ενεργού ιλύος στις λειτουργικές συνθήκες εργαστηριακού συστήματος επεξεργασίας αστικού λύματος τύπου DEPHANOX πραγματοποιήθηκε ανάλυση της ποικιλομορφίας των γονιδίων nir που κωδικοποιούν το ένζυμο αναγωγάση του νιτρώδους. Διαπιστώθηκε εμφανής διαφοροποίηση της ποικιλότητας των απονιτροποιητών και εμπλουτισμός της ιλύος με συγκεκριμένους πληθυσμούς έναντι άλλων. Η διαμόρφωση του εργαστηριακού συστήματος, επηρέασε το ποσοστό ολικού φωσφόρου της βιομάζας και αύξησε τον πληθυσμό των βακτηρίων που επιτελούν EBPR (Polyphosphate Accumulating Organisms-PAOs). Νέα γονίδια nirS ταυτοποιήθηκαν στην ενεργό ιλύ που διαφέρουν από τα αντίστοιχα γονίδια ήδη χαρακτηρισμένων στελεχών βακτηρίων.Προκειμένου να αναλυθεί η βακτηριακή βιοκοινότητα της ενεργού ιλύος που αναπτύχθηκε στο εργαστηριακό σύστημα τύπου DEPHANOX και επιτελούσε EBPR υπό ανοξικές συνθήκες απομονώθηκαν από την ενεργό ιλύ σειρά αμιγών βακτηριακών στελεχών και χαρακτηρίστηκαν ως προς την απονιτροποιητική τους ικανότητα. Επιπλέον για την ίδια δεξαμενή μέσω ανάλυσης της ποικιλομορφίας των 16S rRNA γονιδίων προσδιορίστηκε η ποικιλότητα των βακτηριακών ειδών της ενεργού ιλύος. Διαπιστώθηκε ότι τόσο η πλειονότητα των απομονώσιμων απονιτροποιητικών βακτηρίων όσο και η πλειονότητα των 16S rRNA γονιδίων ανήκαν στο φύλο Proteobacteria. Ορισμένα εκ των απομονωθέντων απονιτροποιητικών στελεχών ανιχνεύθηκαν και μέσω της ανάλυσης των 16S rRNA γονιδίων πιστοποιώντας έτσι το ρόλο τους στην απομάκρυνση του αζώτου μέσω απονιτροποίησης που πραγματοποιείται στο εργαστηριακό σύστημα. Επιπροσθέτως καθώς τα παραπάνω στελέχη αποτελούσαν σημαντικό ποσοστό των απονιτροποιητικών βακτηρίων της ιλύος συμπεραίνεται ότι δεν είναι τα Candidatus Accumulibacter phosphatis υπεύθυνα για την απομάκρυνση του αζώτου, αλλά βακτήρια που ανήκουν σε άλλες φυλογενετικές γραμμές όπως τα Acidovorax-συσχετιζόμενα βακτήρια (Acidovorax και Pseudoacidovorax spp).