Anammoks

Anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon (lühendatult anammoks) on oluline lämmastikuringe osa. See on bioloogiline lämmastikuühendite muundamisprotsess, mida viivad läbi mikroobid. Anammoksis osalevad bakterid avastati 1991. aastal, mis oli sellel ajal suur läbimurre. See protsess toimub paljudes looduslikes keskkondades. Anaeroobse ammooniumi oksüdatsiooni käigus nitrit ja ammoonium reageerivad, moodustades molekulaarse lämmastiku ja vee. Anammoks toodab 50% ookeanides tekkivast molekulaarsest lämmastikust. Selle protsessi käigus kulub hulgaliselt seotud lämmastikku, mis piirab seega ookeanide primaarproduktsiooni. Lihtsustatult näeb reaktsioon välja selline: NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O. Anaeroobselt ammooniumi oksüdeerivad bakterid kuuluvad hõimkonda Planctomycetes, nendest tuntuimad on Planctomyces ja Pirellula. Anammoksibakteritel on mitmeid huvitavaid omadusi. Neil kõigil on üks anammoksosoom ehk rakumembraaniga ümbritsetud ruum tsütoplasmas, kus toimub ammooniumi lagundamise reaktsioon. Lisaks sisaldab nende bakterite plasmamembraan unikaalseid lipiide. Huvitav on ka hüdrasiini (mida kasutatakse raketikütusena ja mis on enamikule organismidele mürgine) moodustumine reaktsiooni vaheainena. Nendel mikroobidel on ka väga aeglane kasvukiirus. Populatsiooni kahekordistumiseks kulub umbes kaks nädalat. Algselt arvati, et reaktsioon toimub ainult 20–43 °C juures. Hiljem on reaktsiooni dokumenteeritud ka kuumaveeallikates 36–52 °C ja Atlandi ookeani keskaheliku hüdrotermide lõõrides 60–85 °C juures. Reaktsiooni maksimaalne aktiivsus saavutatakse temperatuuril 35–40 °C. Anammoksimikroobide avastamine on täiendanud arusaama lämmastikuringlusest. Keskkonnabiotehnoloogias on anaeroobne ammooniumi oksüdatsioon hea võimalus lämmastikuärastuseks suure ammooniumikontsentratsiooniga heitveest. 21. sajandi alguses valitses arvamus, et ainsad lämmastikuärastuse võimalused on denitrifikatsioon ja akumulatsioon ookeanisetetesse. On selgunud, et leidub ka alternatiivseid protsesse. Kõige olulisem neist on anaeroobne lämmastiku oksüdatsioon. Juba 1941. aastast pakuti välja teooriaid, mis väitsid, et ammooniumi saaks oksüdeerida anaeroobselt. Austria teoreetiline keemik Engelbert Broda oli esimene, kes 1977. aastal avastas anaeroobse oksüdatsiooni võimaluse. Ta leidis, et ammooniumi reaktsioon nitraadiga oleks Gibbsi vabaenergia arvutuste kohaselt energeetiliselt kasulik. Esimene otsene tõend anammoksi kohta leiti 1990. aastal ühest heitvee puhastusjaamast. Üheksa aastat hiljem tehti kindlaks ka seda läbi viivad mikroobid, milleks osutusid hõimkonda Planctomycetes kuuluvad bakterid. 2002. aastal leiti ka viiteid selle protsessi toimumisest looduslikus keskkonnas. Samaaegset ammooniumi eemaldamist ja lämmastiku tootmist vaadeldi tööstuslikus veepuhastusjaamas Hollandis 1986. aastal. Suure lämmastikukontsentratsiooniga heitvesi võib looduskeskkonda sattudes olla toksiline veeorganismidele, põhjustada hapnikusisalduse vähenemist, eutrofeerumist ja vähendada klooripõhiste desinfektantide efektiivsust. Järelikult on lämmastikuühendite eemaldamine heitveest väga oluline. Heitvett saab lämmastikust puhastada erinevate keemiliste ja bioloogiliste protsesside abil. Bioloogilised protsessid on efektiivsemad ja võrreldes muude võimalustega suhteliselt odavad ning seega eelistatakse tihti mikrobioloogilisi tehnoloogiaid. Anammoksi põhiline rakendus on ammooniumi eemaldamine heitveest, mis toimub kahes osas. Esmalt nitrifitseerivad ammooniumit oksüdeerivad bakterid pool ammooniumist. 4NH4+ + 3O2 → 2NH4+ + 2NO2- + 4H+ + 2H2O Ülejäänud ammoonium ja nitrit muudetakse anammoksis molekulaarseks lämmastikuks ja umbes 15% nitraadiks (seda pole reaktsioonis märgitud). NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O. Mõlemad reaktsioonid saavad toimuda samas reaktoris. Bakterite lisamiseks kasutatakse biokilekandjaid vähemalt 20 päeva moodustunud limakihiga. Seda saab rakendada annuspuhastites, liikuva kandjaga reaktorites ja gaasiringlusel põhinevates reaktorites. On leitud, et anammoksibakterid suudavad oksüdeerida ka orgaanilisi happeid, nagu atsetaate, metanaate, metüülamiine ja propanaate. Seeläbi lagundatakse lisaks lämmastikuühenditele ka orgaanilist materjali. Standardsed lämmastikuärastuse meetodid vajavad üsna palju energiat ja orgaanilise süsiniku allikat. Anammoksimeetod on seetõttu märkimisväärselt soodsam. Kuigi tehnoloogia on veel algusjärgus, on juba täismahus anammoksiga töötavaid jaamu. Esimene täielikult anammoksi rakendav reoveepuhastusjaam valmis 2002. aastal Hollandis. On ka heitveepuhasteid, kus see reaktsioon toimub, kuid on tekkinud juhuslikult, näiteks Saksamaal Hattiganis. 2006. aastaks töötasid Hollandis juba kolm lämmastikuärastuse reaktorit, mis kasutasid anaeroobset ammooniumi oksüdatsiooni, nendest üks munitsipaalheitveepuhasti ja kaks tööstuslikku puhastit. Tööstuslikud jaamad teenindasid nahaparkimistöökoda ja kartulitöötlemistehast. Arrigo, R. A. "Marine microorganisms and global nutrient cycles". Nature 437, 349–355 (2005) Strous, M. et al. "Missing lithotroph identified as new planctomycete". Nature 400, 446–449 (1999) Strous, M., Kuenen, J.G., Jetten, M.S. 1999. "Key Physiology of Anaerobic Ammonium Oxidation". App. Environ. Microb. (3248-3250) 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 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. http://www.up.ethz.ch/education/term_paper/termpaper_hs07/HERTACH_rev_termpaper_hs07.pdf[alaline kõdulink]