Isolamento del batterio denitrificante aerobio Stutzerimonas stutzeri e sua applicazione nel trattamento delle acque reflue da coke

Perché è importante depurare le acque di stabilimento

La produzione d'acciaio e altre industrie pesanti utilizzano forni speciali per trasformare il carbone in coke, un combustibile che mantiene attivi gli altiforni. Nel corso del processo, questi impianti generano acque reflue scure e ricche di sostanze chimiche. Queste acque contengono alti livelli di composti azotati e inquinanti organici persistenti che possono scatenare fioriture algali tossiche, avvelenare i pesci e contaminare l'acqua potabile. Lo studio dietro questo articolo esplora come un batterio presente naturalmente, isolato dalle stesse acque reflue di un impianto di coke, possa essere impiegato come strumento vivente per rimuovere azoto e inquinanti organici pericolosi da questo flusso di rifiuto difficile da trattare.

Un tipo di refluo particolarmente difficile

Le acque reflue da coke sono tra i reflui industriali più inquinati. Contengono azoto in molte forme — come nitrato, nitrito e ammonio — insieme a composti organici complessi, alcuni dei quali cancerogeni. Se rilasciati senza trattamento, questi azoti favoriscono la crescita esplosiva di alghe e piante acquatiche, causando cali di ossigeno che soffocano pesci e altri organismi. Nell'uomo, un eccesso di nitrati può danneggiare il trasporto di ossigeno nei neonati e contribuire alla formazione di composti legati al cancro. Per via di questa combinazione di salinità, carico azotato e organici tossici, le acque da coke sono più difficili da trattare rispetto alle tipiche acque reflue urbane e mettono a dura prova gli impianti convenzionali.

Trovare un microrganismo utile proprio nel refluo

I ricercatori hanno prelevato acqua da una zona a bassa ossigenazione di un impianto di coke e hanno coltivato i microbi residenti in condizioni che favorivano quelli capaci di rimuovere il nitrato. Dopo una serie accurata di diluizioni e passaggi di purificazione, hanno isolato diversi ceppi batterici e usato il sequenziamento del gene 16S rRNA per identificare il più promettente. Questo ceppo, denominato Stutzerimonas stutzeri KA1, appartiene a un gruppo già noto per convertire il nitrato in azoto gassoso innocuo. Il team ha quindi confrontato quanto bene i diversi ceppi riducevano i livelli di nitrato in un mezzo di laboratorio controllato. KA1 si è distinto tagliando rapidamente le concentrazioni di nitrato in condizioni calde e leggermente agitate, risultando un candidato ideale per un uso industriale.

Verificare la resistenza di questo batterio

Per capire come KA1 potrebbe comportarsi nei sistemi di trattamento reali, gli scienziati hanno variato un fattore alla volta: il tipo di fonte di carbonio, il rapporto carbonio/azoto, il livello di ossigeno e l'acidità o alcalinità (pH). Hanno scoperto che le fonti di carbonio semplici e facilmente assimilabili funzionavano meglio, con l'acetato di sodio che permetteva a KA1 di rimuovere quasi tutto il nitrato in circa 40 ore. Un rapporto carbonio‑azoto intermedio ha dato la rimozione più rapida; troppo poco carbonio affamava i batteri, mentre l'eccesso non produceva ulteriori benefici. Sorprendentemente, KA1 ha mantenuto l'attività su un'ampia gamma di livelli di ossigeno disciolto — dall'assenza di ossigeno fino a condizioni completamente aerate — suggerendo che può continuare a denitrificare anche quando aria viene immessa nei serbatoi. Ha inoltre mantenuto una rimozione quasi completa del nitrato da pH 6 a 10, un intervallo vasto che copre molte acque reflue reali. Queste caratteristiche indicano un microrganismo robusto che tollera condizioni variabili senza perdere efficacia.

Dal matraccio al reattore operativo

Il team è poi passato da piccoli matracci a sistemi di trattamento in miniatura chiamati reattori a lotti sequenziali, che imitano i cicli degli impianti reali. Tutti i reattori ricevevano fango attivato, il consueto miscuglio microbico usato nei trattamenti, ma solo due sono stati «bioaugmentati» con l'aggiunta di KA1. Nel corso di cicli operativi ripetuti, tutti i reattori hanno inizialmente rimosso parte del nitrato, mostrando che i microbi nativi erano già attivi. Col passare del tempo, però, il reattore non integrato ha perso prestazione, mentre i reattori arricchiti con KA1 hanno continuato a migliorare e hanno infine raggiunto una rimozione del nitrato chiaramente superiore, anche in condizioni salate che spesso inibiscono altri batteri. Lo studio ha inoltre monitorato la domanda chimica di ossigeno (COD), una misura generale dell'inquinamento organico, e ha rilevato che i sistemi trattati con KA1 hanno degradata quest'organica più velocemente dei controlli, portando i livelli di COD verso zero più rapidamente.

Cosa significa per un'industria più pulita

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che i ricercatori hanno trovato e testato un batterio “pulitore” resistente che prospera proprio nelle acque estreme che deve trattare. Stutzerimonas stutzeri KA1 può eliminare quasi tutto il nitrato su un intervallo realistico di ossigeno, salinità e pH, aiutando al contempo a rimuovere altri inquinanti organici. Se aggiunto ai sistemi di trattamento standard, aumenta sia la rimozione dell'azoto sia quella del COD oltre quanto la comunità microbica esistente può fare da sola. Poiché è efficiente e tollera condizioni difficili, KA1 potrebbe rendere meno costoso e più agevole per gli impianti siderurgici e di coke rispettare le normative ambientali, riducendo il carico di inquinamento azotato e contribuendo a proteggere i fiumi, i laghi e gli ecosistemi costieri a valle.

Citazione: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

Parole chiave: acque reflue da coke, denitrificazione aerobica, Stutzerimonas stutzeri, bioaugmentation, rimozione dell'azoto