Appunti di lezione di Microbiologia

BOD;

• Distinzione impostata dal rapporto quantitativo BOD / N in alimentazione che individua e

definisce il rapporto quantitativo tra batteri nitrificanti ed eterotrofi;

• Consumo teorico di ossigeno:

Per la nitrificazione completa dell’azoto ammoniacale sono necessari 4.57 g O2 per

o grammo di NH4-N ossidato;

È noto che la massima velocità di rimozione in vasca si ottiene con concentrazioni di

o ossigeno intorno a 7 mg/l e che non conviene scendere al di sotto di 1-2 mg/l anche se

molti impianti lavorano a valori di 0.5 mg/l;

Queste reazioni avvengono con produzione di H+ e consumo di anidride carbonica,

o distruzione di 7.14 g di alcalinità (CaCO3) per g di azoto ammoniacale ossidato, con

possibili cali di pH. Assimilazione del nitrato

• NO3- e NH4+ sono le fonti di N per batteri e vegetali;

• 8 [H] + H+ + NO3-  NH4+ +OH- + 2H2O;

• Batteri: la maggior parte ha enzimi per la nitrato assimilazione, che vengono sintetizzati

quando non c’è altra fonte di azoto che non NO3- , sia in aerobiosi che in anaerobiosi;

• La presenza di NH4+ reprime la sintesi degli enzimi della Nitrato riduzione assimilativa,

reazione che consuma molta energia;

• I 6 e- sono messi in gioco da NADPH2 nei Miceti e Batteri, da Ferredossina nei vegetali e

batteri;

• Enzima complesso oltre ai centri Fe-S contiene anche siti attivi Fe-Eme;

• Assomiglia alla nitrogenasi ed alla Solfito riduttasi perché trasporta 6 e- sul substrato.

Carico del fango Cf

• Parametro dimensionale che incorpora i concetti di biodegradabilità del liquame e di

efficienza di depurazione desiderata;

• “Quantità di massa organica biodegradabile che si può alimentare giornalmente riferita

all’unità di massa di fango attivo presente in vasca, senza peggiorare l’efficienza di

depurazione”;

Qi∗So kg BOD5 alimentato

Cf =

• V kg SS giorno

∗MLSS Tipologia impianti a fanghi attivi

• Gli impianti di depurazione a fanghi attivi possono essere suddivisi in tre grandi gruppi:

1. Processi convenzionai per la rimozione di sostanze carboniose;

2. Processi per la rimozione di sostanze carboniose e delle forme azotate;

3. Processi avanzati per la rimozione di sostanze carboniose, fosforo e azoto.

Solidi nel ricircolo e in vasca

• Da un bilancio dei solidi in entrata e in uscita dalla vasca di aerazione, trascurando la

crescita del fango e i solidi presenti nel liquame in ingresso, si può scrivere: (Qr + Qi) *

MLSS = Qr * SSr

Dove Qi e Qr = portata del liquame e del fango di ricircolo; MLSS e SSr = concentrazione di

solidi sospesi nel fango della vasca di aerazione e nel ricircolo

Qr∗SSr

MLSS= (Qr+Qi)

SSr = concentrazione di solidi sospesi nel fango di ricircolo, dipende dall’ispessimento nella

3

vasca di sedimentazione e, in genere, è compresa tra 6-12 kg/m

Ricerca di batteri ammonio ossidanti mediante sonde molecolari

• Sonde specifiche per:

Ammonio monossigenasi (amoA e amoB);

o Idrossilammina ossidoriduttasi (hao);

o Citrocromo c-554 (hcy).

o

• Southern blotting di DNA di ceppi AAO, tagliato con Eco RI ed ibridizzato a differenti

temperature (+ o – stringenti) hanno messo in evidenza questi geni funzionali, che hanno

subito un certo grado di differenziazione rispetto al ceppo tipo quale è Nitrosomonas

europea. Schema per la rimozione delle sostanze carboniose

• La sequenza di fenomeni che portano alla rimozione della sostanza organica (s.o.) per

mezzo dei fanghi attivi si può schematizzare nei seguenti 4 stadi:

1. Stadio chimico-fisico-biologico: bioadsorbimento e bioflocculazione da parte del fango

attivo del substrato disciolto;

2. Stadio di demolizione catalitica extracellulare, operata da esoenzimi che idrolizzano

sostanze polimeriche;

3. Due stadi:

a) Stadio di ossidazione aerobica: respirazione del materiale organico;

b) Stadio di sintesi nuove cellule batteriche.

4. Stadio di ossidazione del materiale organico inerte e cellulare in condizioni di minor

disponibilità di substrato.

Il rendimento di depurazione del BOD5 %

Concentrazione di BOD5 medio ingresso – concentrazione BOD5 medio∈uscita

=

η concentrazione BOD5 medio ingresso

• Verranno adottati Cf sempre più bassi se si vogliono ottenere η più spinti.

Denitrificazione

• Basi molecolari:

La distribuzione dei denitrificanti tra i procarioti non segue una distribuzione fissa;

o Tale reazione avviene in varie subclassi dei Proteobacteria ma si estende anche agli

o Archeobacteria quali alofili e ipertermofili;

La nitritoriduttasi è l’enzima chiave che conduce al primo intermedio gassoso della

o reazione. Al fine di produrre N2 la sua attività è complementata da due metallo enzimi

che utilizzano NO o N2O come substrato;

In un microrganismo denitrificante i tre complessi respiratori mantengono un certo

o grado di indipendenza, rispondendo a una combinazione di segnali esterni ed interni

secondo un’organizzazione modulare;

Geni denitrificanti sono assemblati in clusters:

o Nitrato respirazione (nar);

 Nitrito respirazione (nir);

 NO riduzione (nor);

 N2O respirazione (nos);

 La loro diversa distribuzione tra i vari ceppi porterebbe alle note divergenze

 funzionali.

Denitrificazione può essere considerata come un assemblaggio di Nitrato respirazione,

o Nitrito respirazione associata a NO riduzione ed N2O respirazione:

NO3  NO2 NO N2O N2

• Per definire la concentrazione massima limite di ossigeno per garantire la denitrificazione, è

bene distinguere le condizioni microambientali delle immediate vicinanze delle membrane

batteriche dalle condizioni dell’ambiente liquido circostante:

Le prime richiedono l’assenza di ossigeno disciolto e un ambiente dell’ordine di -200

o mV;

Le seconde possono presentare talvolta anche concentrazioni di ossigeno disciolto >

o 0.5 mg/l e presentare un efficiente denitrificazione.

• Il processo mira alla rimozione della sostanza azotata, presente in fase acquosa sotto

forma di nitrati, e in parte nitriti, a opera di batteri eterotrofi facoltativi denitrificanti, che sono

in grado di trasformarla quasi interamente in azoto molecolare;

• Operata da molti generi batterici quali Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, Spirillum,

normalmente abbondanti nelle fasi ossidative dei depuratori biologici;

• Oltre il 90% dell’azoto totale viene rimosso per denitrificazione dissimilativa, mentre il

contributo dato dalla sintesi è abbastanza ridotto (4-10%);

• Durante il processo di riduzione dei nitrati ad azoto gassoso, avviene una produzione di

alcalinità di circa 3 g CaCO3 / NO3-N ridotto. In pratica non vi è alcuna tendenza

all’innalzamento del pH in quanto controbilanciata al consumo di alcalinità che si verifica in

vasca di nitrificazione.

• L’ossidazione ANAEROBICA dell’ammonio è responsabile del 24-60% della formazione di

N2 in sedimenti della piattaforma continentale in acqua relativamente profonda (380 e 695

m), ma meno del 2% nei sedimenti eutrofici a più basse profondità.

Batteri annamox

• Nel processo ANAMMOX l’ammonio è convertito in azoto molecolare attraverso la reazione

con

nitrito in rapporto stechiometrico 1:1, 32;

• I batteri ANAMMOX hanno una struttura fenotipica altamente caratteristica: il colore rosso,

la presenza di crateri sulla superficie cellulare, una compartimentazione interna molto

definita che comprende un organulo, l’ “anammoxosoma”, la cui membrana citoplasmatica

è costituita da lipidi denominati ladderani, presenti in natura solamente nei lipidi di

membrana dei batteri ANNAMOX, a conferma dell’importanza funzionale di tali strutture, le

quali permettono di isolare eventuali intermedi tossici;

• ANAMMOXOSOMI: i ladderani compartimentano i composti tossici che formano e danno il

colore (rosso); possiedono un ruolo di primaria importanza all’interno della cellula e

svolgono tre funzioni:

a) È un sito importante per il metabolismo cellulare in particolare per il catabolismo;

b) Produce energia per la sintesi di ATP tramite il movimento dei protoni attraverso la

membrana;

c) Protegge il batterio dalla diffusione dei protoni e dei composti tossici.

Sulla superficie della membrana sono situati i due enzimi chiave per la reazione

o annamox: l’idrazina ossidasi (HZO) e l’idrazina idrolasi (HH);

La tossica idrazina (N2H2) è prodotta e contenuta all’interno dell’anammoxosoma

o mentre l’ammonio (NH4+), l’idrossilammina (NH2OH) e il nitrito (NO2-), vengono

conservati nel riboplasma.

• I batteri annamox sono batteri coccoidi con diametro inferiore a 1 μm, fisiologicamente

distinti dagli altri Planctomiceti poiché sono anaerobici chemiolitotrofi e caratterizzati da un

tasso di crescita molto lento (all’incirca 2 settimane), dalla bassa produzione di biomassa e

da una affinità relativamente alta per i substrati;

• Rendono la denitrificazione molto poco costosa;

• Il prodotto principale della reazione è l’azoto molecolare e non meno del 10% dell’azoto

ammoniacale viene convertito in N2, mentre il nitrito funge da elettron accettore. Durante il

processo intervengono alcuni intermedi di derivazioni variabili a seconda della specie

batterica;

• Fanno questo processo solo se hanno una concentrazione superiore a 10^10;

• Fattori inibenti:

La temperatura può variare tra 12-43 °C, con valori ottimali tra 37-40 °C;

o Il pH può variare tra 6.7-8.5 con un valore ottimale di 8;

o Ossigeno disciolto: il superamento di concentrazioni minime (0.01 mg/l) può portare

o rapidamente al decremento dell’attività;

Concentrazione di biomassa: i batteri sono attivi solamente quando la concentrazione

o delle cellule è maggiore di 10^10-10^11 per ml.

Fosforo

• I composti più conosciuti sono quelli ossigenati (anidride fosforica e fosforosa ortofosfati);

• P trasportato in forma disciolta (DP) o particolata (PP);

• PP include P assorbito in particelle di suolo o di sostanza organica;

• DP è in gran parte immediatamente assimilabile, PP può essere una sorgente di P a lungo

termine (la sua disponibilità dipende da 10 al 90% a seconda della propria origine);

• Piogge ed erosione: il trasporto di DP inizia con il desorbimento, la dissoluzione e

l’estrazione dal suolo e da materiali vegetali;

• Lisciviazione e drenaggio: il contenuto in P attraverso il suolo è in genere molto basso (<

0.1 ppm), dato l’adsorbimento nel sub-suolo P-deficiente;

• Eccetto:

Zone in cui la sostanza organica può accelerare il movimento