Полифосфат жинақтаушы организмдер және олардың қоршаған ортадан фосфорды жою механизмі
Polyphosphate-accumulating organisms
Полифосфат жинақтаушы организмдер (PAO) – қоршаған ортадан фосфорды жоюға көмектесетін микроорганизмдер. EBPR, топырақ, теңізде кездеседі. Қайта қолдануға ыңғайлы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Полифосфат жинақтағыш организмдер (ПЖО) – белгілі бір жағдайларда қоршаған ортадан көп мөлшерде фосфорды жоюға қабілетті микроорганизмдер тобы. Бұл құбылыстың ең көп зерттелген мысалы – полифосфат жинақтайтын бактериялар (ПЖБ), биологиялық фосфорды күшейтілген жою (БФКЖ) деп аталатын қалдық суларды өңдеу түрінде кездеседі. Дегенмен, фосфаттың жоғары жинақталуы топырақ және теңіз ортасында, сондай-ақ саңырауқұлақтар мен балдырлар сияқты бактериялық емес организмдерде де байқалады. ПЖО фосфатты жасушаларында полифосфат түрінде жинақтау арқылы жояды. ПЖО ғана жасушаларында фосфат жинақтайтын микроорганизмдер емес, шындығында полифосфат өндірісі микроорганизмдер арасында кең таралған қабілет. Алайда, ПЖО-ның полифосфат жинақтайтын басқа организмдерде жоқ көптеген ерекшеліктері бар, олар оларды қалдық суларды тазартуда пайдалануға ыңғайлы етеді. Атап айтқанда, классикалық ПЖО-ның ішкі сақталған полифосфат пен гликогеннен энергия өндіру арқылы сыртқы электрон қабылдағыш (мысалы, нитрат немесе оттегі) болмағанда қарапайым көміртек қосылыстарын (энергия көзі) тұтыну қабілеті бар. Көптеген бактериялар энергиялық тұрғыдан тиімді электрон қабылдағышсыз көміртекті тұтынуға қабілетсіз, сондықтан ПЖО белсендірілген шламдағы аралас микробтық қоғамдастықта селективті артықшылыққа ие болады. Сондықтан, биологиялық фосфорды күшейтілген жою үшін жұмыс істейтін қалдық су тазарту станцияларында басқа резервуарлардан бұрын, анаэробтық резервуар (сыртқы электрон қабылдағыш ретінде нитрат немесе оттегі жоқ) орналасады, бұл ПЖО-ға станцияға келіп түсетін қалдық сулардағы қарапайым көміртек қосылыстарына басымдықпен қол жеткізуді қамтамасыз етеді.
Polyphosphate accumulating organisms (PAOs) are a group of microorganisms that, under certain conditions, facilitate the removal of large amounts of phosphorus from their environments. The most studied example of this phenomenon is in polyphosphate accumulating bacteria (PAB) found in a type of wastewater processing known as enhanced biological phosphorus removal (EBPR), however phosphate hyperaccumulation has been found to occur in other conditions such as soil and marine environments, as well as in non bacterial organisms such as fungi and algae. PAOs accomplish this removal of phosphate by accumulating it within their cells as polyphosphate. PAOs are by no means the only microbes that can accumulate phosphate within their cells and in fact, the production of polyphosphate is a widespread ability among microbes. However, PAOs have many characteristics that other organisms that accumulate polyphosphate do not have that make them amenable to use in wastewater treatment. Specifically, in the case of classical PAOs, is the ability to consume simple carbon compounds (energy source) without the presence of an external electron acceptor (such as nitrate or oxygen) by generating energy from internally stored polyphosphate and glycogen. Many bacteria cannot consume carbon without an energetically favorable electron acceptor and therefore PAOs gain a selective advantage within the mixed microbial community present in the activated sludge. Therefore, wastewater treatment plants that operate for enhanced biological phosphorus removal have an anaerobic tank (where there is no nitrate or oxygen present as external electron acceptor) prior to the other tanks to give PAOs preferential access to the simple carbon compounds in the wastewater that is influent to the plant.
Классикалық (каноникалық) ПАО метаболизмі
ПАО-ның классикалық немесе "каноникалық" мінез-құлқы – фосфаттың (ортофосфат түрінде) қоршаған ортаға бөлінуі және аноксиялық жағдайларда ұшқыш май қышқылдарынан (VFAs) және гликогеннен жасуша ішіндегі полифосфат қорының полигидроксиалканоаттарға (PHA) айналуы болып саналады. Бұдан кейін оксидтік жағдайларда PHA/VFA-ның тұтынуы және қоршаған ортадан ортофосфатты сіңіру арқылы жасуша ішіндегі полифосфат қоры қайта жаңартылады. Бұл көбінесе органикалық қосылыстарға бай сыртқы ортада, яғни аминқышқылдары мен қанттар сияқты ыдырауға жататын субстраттар бар жерде жиі кездеседі деп есептеледі. Алайда, осы микроорганизмдердің полифосфатты қалай жинақтайтыны және пайдаланатынының нақты механизмдері әлі толыққанды түсініксіз. Бұл туысқа жататын бактериялардың ацетат, лактат, аланин және сукцинат сияқты ферментация өнімдерін өндіре алатыны анықталды. Сонымен қатар, геномдық мүмкіндіктері мен басқа микробиалды метаболизмдерге ұқсастығына байланысты, лизин, аргинин, гистидин, лейцин, изолейцин, валин және фенилаланин аминқышқылдары оксидтік жағдайларда PHA-ның энергия субстраты ретіндегі канондық қызметін алмастыруы мүмкін деген болжам бар. Бұрын қалдықтарды тазартудағы ең маңызды ПАО саналған бұл бактериялар бүкіл әлемдегі сарқынды суларды тазарту станцияларында кең таралған. Олар аэробтық емес жағдайларда ацетат және пропионат сияқты көміртекті қосылыстарды тұтынып, оларды полигидроксиалканоаттар (PHA) түрінде сақтайды, содан кейін өсу үшін көміртек және энергия көзі ретінде пайдаланады, ал оттегі немесе нитрат электрондарды қабылдаушы ретінде қызмет етеді. Тарихи тұрғыдан алғанда, *Ca. Accumulibacter*-дың фосфатты жоғары концентрацияда жинақтауы стрестік жауап ретінде қарастырылған, бірақ қазіргі уақытта бұл мінез-құлықтың экологиялық рөл атқаруы мүмкін деген пікірлер айтылуда. *Ca. Phosphoribacter*-мен бірге, осы екі ПАО сарқынды суды тазарту процесінде алынып тасталған фосфордың 24-70% құрауы мүмкін деп есептеледі.
The classical or "canonical" behavior of PAOs is considered to be the release of phosphate (as orthophosphate) to the environment and transformation of intracellular polyphosphate reserves into polyhydroxyalkanoates (PHA) from volatile fatty acids (VFAs) and glycogen during anoxic conditions. This is followed by the consumption of the PHA/VFAs and uptake of environmental orthophosphate during oxic conditions to regenerate polyphosphate reserves within the cell. This is generally believed to be seen more often in extracellular environments high in organic compounds, thus containing fermentable substrates like amino acids and sugars. However, the exact mechanisms of these microbes to accumulate and use polyphosphate are not well understood. This genus was largely found to be capable of producing the fermentation products acetate, lactate, alanine, and succinate. Additionally, it is suggested that the amino acids lysine, arginine, histidine, leucine, isoleucine, valine and phenylalanine may replace the canonical purpose of PHA as an energy substrate during oxic conditions, based on genomic potential and similarity to behavior of other microbial metabolisms. Formerly considered the most important PAO in waste treatment, the bacteria is highly abundant in wastewater treatment plants globally. It can consume a range of carbon compounds, such as acetate and propionate, under anaerobic conditions and store these compounds as polyhydroxyalkanoates (PHA) which it consumes as a carbon and energy source for growth using oxygen or nitrate as electron acceptor. Historically, the hyperaccumulation of phosphate by Ca. Accumulibacter was seen as a stress response, but currently it is suggested that this behavior may play an ecological role. In combination with Ca. Phosphoribacter, these two PAOs are considered to account for 24 70% of phosphorus removed from wastewater during treatment processing.
Candidatus dechloromonas (ағылш.
Candidatus Dechloromonas түрлерінің phosphoritropha және phosphorivorans түрлері классикалық метаболизм генотипі бар ПАҚ-тар болып табылады. Дехлоромонас әлемнің әртүрлі ағынды суларды тазарту қондырғыларында көп мөлшерде кездеседі.
Candidatus Dechloromonas species phosphoritropha and phosphorivorans are PAOs with classical metabolism genotype. Dechloromonas has been found in high abundances in wastewater treatment plants across the world.
Candidatus accumulimonas (бұрын Candidatus Halomonas phosphatis деп аталған)
Candidatus accumulimonas – классикалық метаболизм фенотипіне ие ПАО түрі.
Candidatus accumulimonas is a species of PAO with classical metabolism phenotype.
Микролунатис фосфоворус
Microlunatis phosphovorus – ПАО түрі, оның метаболизмі канондық емес болуы мүмкін, алайда нақты механизмдері анықталған жоқ. Ca. phosphoribacter-мен бірге бір топқа жатады. Бұл екі актинобактериялық организмнің метаболизмі ұқсас, бірақ M. phosphovorus-тың жасуша массасының құрғақ салмағы бойынша полифосфат жинақтауы Ca. phosphoribacter-ден немесе протеобактериялық ПАО-лардан он еседен астам болуы мүмкін.
Microlunatis phosphovorus is a species of PAO with likely non canonical PAO metabolism, however exact mechanisms have not been determined. Belonging to the same phylum as Ca. phosphoribacter, these two actinobacterial organisms exhibit similar metabolisms, however M. phosphovorus has been suggested to hyperaccumulate over ten times the amount of polyphosphate per cell mass dry weight compared to Ca. phosphoribacter or proteobacterial PAOs.
Paracoccus denitrificans (ағылш.
Paracoccus denitrificans канондық емес ПАО фенотипін көрсететіні байқалды.
Paracoccus denitrificans has been observed to exhibit a non canonical PAO phenotype.
Quatrionicoccus australiensis (Австралияның қышқыл тұқымы)
Quatrionicoccus australiensis – белсендірілген шламнан оқшауланған бактерия, полифосфат және ФГА жинақтайтыны анықталған, демек, классикалық ПАО фенотипіне ие болуы мүмкін.
Quatrionicoccus australiensis is a bacteria isolated from activated sludge which has been found to accumulate polyphosphate and PHA, thus likely having a classical PAO phenotype.
Лампропедия spp.
ЭБПР белсендірілген шламнан бөліп алынған Лампропедия түрлері полифосфат және ФГА-ны жинақтайды, бірақ олардың мөлшері шектеулі.
Lampropedia species, isolated from EBPR activated sludge, have been found to accumulate polyphosphate and PHA, though not to extreme degrees.
Candidatus Microthrix
Бірнеше EBPR белсендірілген шлам көздерінде анықталған Candidatus Microthrix – бұл жіп тәрізді бактерия, басқа ПАО-лардың саны төмендеген EBPR-дің ісіну кезеңінде фосфатты жоюға кінәлі болуы мүмкін.
Candidatus Microthrix, identified in more than one EBPR activated sludge source, is a filamentous bacteria suspected to be responsible for phosphate removal during the bulking phase of EBPR, where other PAOs decrease in abundance.