Experimental assessment of anammox process response to different carbon compounds

Anammox prosesi, amonyağın anaerobik koşullar altında azot gazına indirgendiği bir prosestir. Bu proseste amonyak elektron vericisi, nitrit elektron alıcısı olarak kullanılır. Anaerobik amonyum oksidasyonu, çok kısa bir zaman öncesine kadar biyolojik azot döngüsünün keşfedilmemiş bir bölümünü oluşturmakta idi. Bu prosesi oluşturan mikroorganizma topluluğu Planktomaysit türünün ototrofik grubunun üyesi olarak tanımlanmaktadır. Nitritin elektron alıcısı olarak kullanıldığı anaerobik amonyum oksidasyonunda ana ürün azot gazı olmakla birlikte bir miktar da nitrat oluşmaktadır. Nitrat, biyosentez reaksiyonunda CO2 fıksasyonu için gerekli olan elektron alıcısı olarak da kullanılmasıyla oluşmaktadır. Oluşan nitrat, anammox reaksiyonu uyarınca giderilen toplam azotun çok küçük bir parçasını oluşturmakla birlikte özellikle yüksek giriş amonyak konsantrasyonlarında önemli miktarlarda nitrat oluşumuna sebep olabilmektedir. Çıkış kalitesinde istenen standartların sağlanabilmesi için oluşan bu nitratın giderilmesi gerekmektedir. Bu çalışma çerçevesinde, karbon kaynaklarının anammox prosesi üzerindeki etkileri ve anammox prosesinde oluşan nitratın giderim mekanizmasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Anammox reaktörüne organik karbon bileşenlerinin beslenmesi ve anammox popülasyonunun bu koşullara tepkisinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde farklı karbon kaynaklarının anammox aktivitesi üzerindeki etkilerinin belirlenmesi için 8 farklı karbon kaynağından oluşan kesikli deneyler gerçekleştirilmiştir. Kesikli deneylerde asetat, propiyonat, metanol, nişasta, glükoz, etanol, format ve amino asitler farklı konsantrasyonlarda kullanılmıştır. Deneylerde; glükoz, etanol ve metanol kolay ayrışan substratı, nişasta partiküler substratı, format, asetat, propiyonat ve amino asitler genellikle anaerobik çamur çürütmenin asidifikasyon fazında oluşan fermantasyon ürünlerini temsil etmek üzere kullanılmıştır. Kesikli deneylerden elde edilen sonuçlar, metanolun anammox aktivitesini tamamen durdurduğunu, asetat ve propiyonatın anammox aktivitesini teşvik ettiğini, diğer bileşenlerin anammox aktivitesini farklı derecelerde inhibe ettiğini göstermiştir. Sürekli sistem reaktör deneyleri için metanol, asetat ve propiyonat seçilmiştir. Bunun için üç ayrı reaktör %74 derecesinde zenginleştirilmiş aynı anammox kültürü ile aşılanmıştır. Rektörlerin biri metanol, diğeri asetat beslemesi için, diğeri de propiyonat beslemesi için kullanılmıştır. Metanol beslemesi, anammox aktivitesini derhal ve geri dönüşümsüz şekilde inhibe ettiği görülmesi üzerine kısa sürede durdurulmuştur. Sistemin bir hafta süre ile mineral ortam ile yıkanması ile, anammox aktivitesinin tekrar geri kazammım sağlanamamıştır. Asetat beslemesi sabit asetatyükünde çalıştırılırken, propiyonat beslemesi giderek artan yüklerde gerçekleştirilmiştir. Karbon kaynağı beslemesi koşullan altında anammox prosesinin tepkisini belirlemek için reaktörler karbon ve azot bileşenleri yanında popülasyon dinamiği açısından da izlenmiştir. Asetat ile beslenen anammox reaktöründen elde edilen sonuçlara göre reaktöre beslenen asetatın tüketilmesine rağmen nitrat konsantrasyonunda bir düşüş görülmemiştir. Ayrıca FISH analizleri ile elde edilen bulgularda denitrifikasyon bakterilerini temsil edebilecek bir organizma grubuna rastlanmamıştır. Fakat, 21 günlük süre için yapılan kütle dengesinden elde edilen sonuçlar, proseste oluşan nitratın anammox stokiyometrisine göre beklenenden daha az olduğunu göstermiştir. Bu sonuç, asetatın varlığında nitratın indirgenebileceğinin göstergesi olarak kabul edilebilir. FISH analizleri aynca asetatın varlığında anammox popülasyonunda küçük bir değişikliğin olduğunu da göstermiştir. Özellikle propiyonat ilavesinin başladığı ilk periyotta reaktöre beslenen propiyonatın tümünün tüketilmesine rağmen nitrat konsantrasyonunda bir değişiklik görülmemiş, nitrat konsantrasyonu uzun süre sabit kalmıştır. Bu süre zarfında aynca anammox stokiyometrisinin önemli ölçüde değişmediği görülmüştür. Ancak sisteme sağlanan propiyonat yükünün artırılmasıyla nitrat konsantrasyonunda önemli bir düşüş görülmüştür ki bu da sistemde yeterli miktarda propiyonatın varlığında nitratın tüketildiğini göstermiştir. Yapılan FISH analizlerinde uzun süreli propiyonat beslemesine rağmen denitrifiyer topluluğunu temsil edecek bir organizma grubu belirlenmemiştir. FISH analizleri reaktördeki anammox topluluğunun baskınlığının sürdüğünü fakat önemli ölçüde değiştiğini, yeni anammox türlerinin geliştiğini göstermiştir. Propiyonat ile beslenen anammox reaktöründen elde edilen bulgular, propiyonat tüketiminden anammox bakterisinin sorumlu olabileceğini göstermiştir. Bu sebeple çalışma kemolithoototrof olarak bilinen anammox bakterisinin propiyonat tüketimi konusuna yönlendirilmiştir. Bu amaçla, önce %74 oranında zenginleştirilmiş anammox biyo-reaktöründe propiyonat tüketimini izlemek için anlık propiyonat ilavesi ile deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde propiyonat konsantrasyonun lineer olarak düştüğü görülmüştür. Anammox biyo-reaktörünün saf kültürden oluşmadığı sebebiyle anammox hücreleri yoğunluk gradyam santrifüj yöntemi ile saf kültürü elde edilerek bir mikro ölçekli kesikli deneyle propiyonat tüketimi izlenerek %74 zenginleştirilmiş kültürde elde edilen sonucun ispatı sağlanmıştır. Elde edilen kültürün saflık derecesi FISH analizi ile değerlendirilmiştir ve yaklaşık %99. 5 derecesinde saflığa ulaşıldığı görülmüştür. Propiyonatın varlığında nitratın anammox bakterisi tarafından giderim mekanizması farklı azot bileşenleri ile yapılan kesikli deneylerde ve 15 NC>3~ izotopu işaretli kesikli deneyleriyle açıklanmıştır. Bu kesikli deneylerle ve daha önce yapılan sürekli akımh reaktör deneylerinde nitratın propiyonat oksidasyonunda elektron alıcısı olduğu bulunmuştur. Propiyonat oksidasyonu sadece nitratın varlığında gerçekleşmiş ve nitrit ara birikimi görülmüştür. Bu şekilde nitritin nitrat gideriminde serbest ara ürün olduğunu ve bu şekilde hız kısıtlayıcı adım olduğunu göstermektedir. Tüm bu bulgular ışığında anammox bakterisinin propiyonatı kullanarak nitratı indirgeme reaksiyonunun mekanizması bir model ile açıklanmıştır. Bu modele görenitratın bir kısmı nitrite dönüşürken, bir kısmı doğrudan azot gazına indirgenmektedir. Bu modele göre oluşan nitrit, anammox prosesinde tekrar döngüye girerek anaerobik amonyum oksidasyonu reaksiyonunu gerçekleştirmektedir. Bu bulgu, elektron alıcısı olarak nitriti kullanarak amonyağı anaerobik ototrofik koşullar altında oksitleyen anammox bakterisinin propiyonatı elektron vericisi olarak kullanarak nitratı indirgeyebildiğim ortaya koymaktadır.