Процесс анаммокс активен в интервале температур от 6 до 43° С с оптимумом при 20…30 °С. Диапазон рН = 6,7…8,3, оптимум наблюдается при рН 7…8. Концентрации аммония и нитратов до 100 мМ не препятствуют процессу. Раньше считалось, что ему препятствуют концентрации нитритов, превышающие 20 мМ, и когда концентрация нитритов составляет более 50 мМ, в течение 12 ч деятельность бактерий anammox полностью утрачивается. Активность аннаммокс-бактерий может быть восстановлена путем добавления гидразина или гидроксиламина в небольших количествах (50 мкм). Более того, в настоящее время разработаны и действуют технологии очистки стоков с высоким содержанием аммония и нитрита.
Процесс анаммокс широко распространен в природе. В результате его действия образуется основная часть атмосферного азота. В морских экосистемах, бактерии anammox активно способствуют биологическому круговороту азота, будучи ответственными по меньшей мере за 50% от общего объема производства азота в океане. Бактерии anammox обнаружены в различных пресноводных экосистемах, включая горячие источники. В природных экосистемах процесс анаммокс может функционировать параллельно с процессом денитрификации. Эти процессы могут взаимодействовать, и тот или другой может доминировать в зависимости от меняющихся условий внешней среды. Такое же сочетание этих процессов может происходить и при очистке воды. Превалирование того или иного процесса зависит от присутствия или отсутствия органических соединений и нитрита. Для удержания медленнорастущих анаммокс-бактерий в системе важную роль играет применение твердых носителей для иммобилизации активного ила. В частности, примененные на КОС БХ-ЭКОС ерши являются наиболее приближенной к природным условиям моделью водной растительности.
Бактерии anammox (анаммокс-бактерии, анаммокс-планктомицеты, бактерии анаммокс) были открыты в начале 1990-х гг. Они принадлежат к нескольким новым родам бактерий: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Scalindula. Все они относятся к планктомицетам (Planktomyces), представляющим отдельную филогенетическую ветвь домена Bacteria. Они представляют группу микроорганизмов с уникальными морфологическими, физиологическими и биохимическими свойствами. Большинство известных планктомицетов — аэробные бактерии. Бактерии anamnnox — анаэробы, они получают энергию за счет анаэробного окисления аммония в биохимическом процессе окисления иона аммония нитрит-анионом с образованием гидразина в качестве промежуточного продукта. В качестве источника углерода для роста эти бактерии используют диоксид углерода (углекислоту, СО2) и являются, таким образом, автотрофными микроорганизмами, которые для роста не нуждаются в органических веществах и синтезируют их из неорганических соединений. В очищенной культуре они растут чрезвычайно медленно, время удвоения, т.е. деления клетки, составляет не менее 10 суток. Поэтому для удержания этих бактерий в системах очистки целесообразна их иммобилизация на твердых структурированных или дисперсных носителях.
Анаммокс-бактерии относятся к царству Bacteria, отделу Planctomycetes, порядку Planсtomycetales, являются грамположительными организмами. В отличие от остальных членов порядка Planсtomycetales, являющихся гетероорганотрофами, анаммокс-бактерии — анаэробные хемолитотрофы. Анаммокс-бактерии получают энергию за счет окисления аммония и используют в качестве источника углерода в процессе конструктивного метаболизма углекислый газ.
Анаммокс-бактерии обладают рядом особенностей. Клетки анаммокс-бактерий имеют кокковидную или нерегулярно изрезанную форму, диаметр клеток составляет около 1 мкм. Как у всех планктомицетов, у анаммокс-бактерий есть кратерообразные структуры на поверхности клетки, в клеточной стенке отсутствует пептидогликан, присутствие внутриклеточной вакуоли анаммоксосомы является уникальным. Анаммокс-бактерии, как и все планктомицеты, имеют белковую клеточную стенку и дифференцированную цитоплазму. У них есть две мембраны с внутренней стороны клеточной стенки, и нет мембраны с ее внешней стороны. Цитоплазматическая мембрана располагается близко к клеточной стенке и окружает область цитоплазмы, не содержащую РНК, — парифоплазму. Внутренняя мембрана ограничивает парифоплазму с другой стороны. Внутри области, ограниченной внутренней мембраной, находится рибоплазма (область цитоплазмы, содержащая большое количество рибосомных частиц) и клеточная органелла, окруженная единичной двухслойной мембраной — анаммоксосома. Это уникальная органнелла не встречаетсяни в одном известном на сегодняшний день организме. Она занимает 50–70% объема клетки, и именно в анаммоксосоме протекает окисление аммония нитритом.
В рибоплазме содержится клеточная РНК и ДНК. Таким образом, цитоплазма в анаммокс-бактериях разделяется на три отдела, разделенных одиночными бислойными мембранами: парифоплазму, рибоплазму и анаммоксосому (рис. 1). В мембране, окружающей анаммоксосому, присутствуют латеральные липиды, имеющие ступенчатую структуру и обладающие высокой прочность. Мембрана анаммоксомы позволяет поддерживать градиент концентраций, создающийся в процессе анаммокс-реакции, при этом уменьшая энергетические потери клетки, а также предотвращая проникновение токсичного интермедиата (гидразина — природного аналога ракетного топлива) в рибоплазму.
Рис. 1 Схематическое изображение бактериальной анаммокс-клетки
Биомасса анаммокс-бактерий имеет красноватую окраску благодаря высокому содержанию гемов (геминов) в гидрозиноксидоредуктазе и в цитохромах К настоящему времени описаны 5 родов и более 10 видов анаммокс-бактерий, являющихся накопительными культурами с высокой степенью очистки и имеющих статус кандидатов новых видов бактерий.
Открытие процесса анаммокс дало мощный толчок для развития новых технологий удаления азота из сточных вод, характеризующихся высоким содержанием аммония и низким содержанием органики. Использование процесса анаммокс при очистке фильтационных вод полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), иловой воды метантенков, стоков пищевой промышленности и других позволило исключить стадию денитрификации и значительно уменьшить стоимость аэробной нитрификации.
Технологический аспект деятельности анаммокс-бактерий к настоящему времени изучен достаточно хорошо. Технологии на основе процесса анаммокс являются экономически эффективными и энергосберегающими и имеют большой потенциал в очистке сточных вод, богатых аммонием. Длительное время пуска анаммокс-реакторов серьезно ограничивает применение процесса, но этот недостаток можно устранить путем инокуляции илами, предварительно обогащенными анаммокс-бактериями, использованием реакторов с эффективным удерживанием биомассы, регулировкой баланса питательных веществ и физических параметров. Сегодня применение процесса анаммокс в основном ограничивается несколькими типами сточных вод с высоким содержанием аммония, такими как стоки после анаэробной обработки пищевых или богатых белком сточных вод, фильтраты полигонов ТБО, иловый шлам, иловые воды метантенков, сточные воды животноводческих комплексов.
В настоящее время получили и распространение различные технологии удаления азота из стоков с применением этого процесса, а именно Sharon-anammox, Canon, Deamox. Разработка и использование технологического процесса БХ-ЭКОС открывает перспективу его использования для обработки бытовых сточных вод. Широкое применение процесса анаммокс в промышленных масштабах зависит от доступности достаточного количества посевного материала для пуска новых анаммокс-реакторов. Для каждого типа стоков необходимо также добиться адаптации обогащенной анаммокс-бактериями биомассы к специфическим органическим и неорганическим загрязнениям. Выделение и изучение анаммокс-бактерий важно для дальнейшего развития и совершенствования процессов очистки сточных вод от азота.