Izolacja tlenowych bakterii denitryfikujących Stutzerimonas stutzeri i ich zastosowanie w oczyszczaniu ścieków koksowniczych

Dlaczego oczyszczanie wód zakładowych ma znaczenie

Hutnictwo stali i inne ciężkie branże wykorzystują specjalne piece do przetwarzania węgla w koks — paliwo napędzające wielkie piece. W tym procesie powstają ciemne, bogate w związki chemiczne ścieki. Wody te zawierają wysokie stężenia związków azotu i opornych zanieczyszczeń organicznych, które mogą wywoływać toksyczne zakwity glonów, zatruwać ryby i skażać wodę pitną. Badanie opisane w tym artykule bada, jak naturalnie występująca bakteria, wyizolowana ze ścieków z zakładu koksowniczego, może być wykorzystana jako żywy instrument do usuwania niebezpiecznych zanieczyszczeń azotowych i organicznych z tego trudnego strumienia odpadowego.

Trudny rodzaj ścieków

Ścieki koksownicze to jeden z najbardziej zanieczyszczonych przemysłowych ścieków. Zawierają azot w wielu formach — takich jak azotan, azotyn i amoniak — oraz złożone związki organiczne, z których niektóre są rakotwórcze. Jeśli są odprowadzane nieoczyszczone, ten azot napędza gwałtowny rozwój glonów i roślin wodnych, prowadząc do spadków tlenu, które duszą ryby i inne organizmy. U ludzi nadmiar azotanów może zaburzać przenoszenie tlenu u niemowląt i przyczyniać się do powstawania związków związanych z rakiem. Ze względu na połączenie zasolenia, wysokiego ładunku azotu i toksycznych substancji organicznych, ścieki koksownicze są trudniejsze w oczyszczaniu niż typowe ścieki komunalne i stawiają konwencjonalne oczyszczalnie przed dużymi wyzwaniami.

Znalezienie pomoc microba w samych ściekach

Naukowcy pobrali wodę z nisko-tlenowej strefy w zakładzie koksowniczym i wyhodowali tamtejsze mikroorganizmy w warunkach sprzyjających tym zdolnym do usuwania azotanów. Po serii rozcieńczeń i etapów oczyszczania wyizolowali kilka szczepów bakterii i zidentyfikowali najbardziej obiecujący za pomocą sekwencjonowania genu 16S rRNA. Ten szczep, nazwany Stutzerimonas stutzeri KA1, należy do grupy już znanej z przekształcania azotanów w bezpieczny gaz azotowy. Zespół porównał następnie, jak różne szczepy obniżają stężenie azotanów w kontrolowanym pożywce. KA1 wyróżniał się szybkim obniżaniem azotanów w ciepłych, delikatnie mieszanych warunkach, co czyni go atrakcyjnym kandydatem do zastosowań przemysłowych.

Testowanie, z czym poradzi sobie ta bakteria

Aby sprawdzić, jak KA1 może działać w rzeczywistych systemach oczyszczania, naukowcy zmieniali pojedynczo różne czynniki: typ źródła pokarmu, stosunek węgla do azotu, poziom tlenu i kwasowość (pH). Stwierdzili, że proste, łatwo przyswajalne źródła węgla działały najlepiej — octan sodu pozwolił KA1 usunąć niemal wszystkie azotany w około 40 godzin. Pośredni stosunek C:N dał najszybsze usuwanie; za mało węgla głodziło bakterie, a nadmiar nie przynosił dodatkowych korzyści. Co zaskakujące, KA1 działał przy szerokim zakresie rozpuszczonego tlenu — od braku tlenu aż po pełne napowietrzenie — co sugeruje, że może kontynuować denitryfikację nawet przy napowietrzaniu zbiorników. Utrzymywał również niemal całkowite usuwanie azotanów przy pH od 6 do 10, szerokim zakresie obejmującym wiele ścieków rzeczywistych. Te cechy wskazują na wytrzymałego mikroba, który toleruje zmienne warunki bez utraty skuteczności.

Z kolbki do działającego reaktora

Zespół przeszedł następnie od małych kolbek do miniaturowych systemów oczyszczania zwanych reaktorami wsadowymi sekwencyjnymi, które naśladują cykle w rzeczywistych zakładach. Wszystkie reaktory otrzymały osad czynny, zwykłą mieszankę mikroorganizmów stosowaną w oczyszczaniu, lecz tylko dwa zostały „bioaugmentowane” dodatkiem KA1. W kolejnych cyklach pracy wszystkie reaktory początkowo usuwały pewne ilości azotanów, co pokazywało aktywność rodzimej społeczności mikroorganizmów. Jednak z czasem reaktor bez dodatku KA1 stracił wydajność, podczas gdy reaktory wzbogacone KA1 nadal się poprawiały i w końcu osiągnęły wyraźnie wyższe usuwanie azotanów, nawet w warunkach zasolonych, które często hamują inne bakterie. Badanie śledziło także chemiczne zużycie tlenu (COD), szeroki miernik zanieczyszczeń organicznych, i wykazało, że systemy z KA1 rozkładały te substancje szybciej niż kontrole, sprowadzając poziomy COD do zera szybciej.

Co to oznacza dla czystszej przemysłowości

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że badacze znaleźli i przetestowali odporną bakterię „sprzątającą”, która rozwija się w tych samych surowych wodach, które ma oczyszczać. Stutzerimonas stutzeri KA1 potrafi usunąć niemal wszystkie azotany w realistycznym zakresie warunków dotyczących tlenu, zasolenia i pH, a jednocześnie pomaga usuwać inne zanieczyszczenia organiczne. Po dodaniu do standardowych systemów oczyszczania zwiększa zarówno usuwanie azotu, jak i COD ponad to, co potrafi sama istniejąca społeczność mikroorganizmów. Ponieważ działa efektywnie i toleruje trudne warunki, KA1 może obniżyć koszty i ułatwić stalowniom i zakładom koksowniczym spełnianie norm środowiskowych, zmniejszając obciążenie wynikające z zanieczyszczeń azotowych i pomagając chronić rzeki, jeziora oraz ekosystemy przybrzeżne.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: ściek koksowniczy, tlenowa denitryfikacja, Stutzerimonas stutzeri, bioaugmentacja, usuwanie azotu