Wiele procesów stosowanych w biotechnologii opiera się na działaniu bakterii. Są wśród nich takie, które swoje funkcje spełniają wyjątkowo efektywnie i dlatego są bardzo chętnie wykorzystywane w pełnej skali w przedsiębiorstwach.

Jednym z takich obiecujących nowoczesnych procesów, wykorzystywanym w oczyszczaniu ścieków, jest beztlenowe utlenianie amoniaku - anammox. "Jego użycie pozwala na obniżenie kosztów oczyszczania, ponieważ jest to proces anoksyczny, przez co nie wymaga natlenienia, ponieważ mikroorganizmy używają zamiast tlenu związków nieorganicznych w procesach oddychania. Ponadto, jest autotroficzny, co oznacza, że nie trzeba go wspomagać dodatkowym źródłem węgla” – mówi Anna Banach-Wiśniewska, doktorantka w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej.

Proces ten nie jest jednak idealny. W szczególności problemem jest optymalna dla rozwoju i pracy bakterii anammox temperatura, wynosząca ok. 30 stopni C. Niestety ścieki w naszych szerokościach geograficznych są dużo chłodniejsze. Dlatego wprowadzenie takiego procesu do głównego ciągu technologicznego oczyszczalni jest problematyczne, bo bakteriom jest tam zbyt zimno. Przestają one wtedy funkcjonować wydajnie, co skutkuje niską efektywnością oczyszczania ścieków. Bakterie anammox mają jeszcze jedną wadę. Bardzo wolno rosną, dlatego ponowne ich namnożenie i uruchomienie jest sprawą niezwykle trudną.

Jak się jednak okazuje jest na takie bakteryjne problemy sposób. To tzw. immobilizacja mikroorganizmów, czyli ich unieruchamianie.

„Proces ten może opierać się na pułapkowaniu, czyli na zamykaniu bakterii w żelowym nośniku. W taki sposób tworzy się mini- kapsułka, zawierająca właściwe dla danego procesu mikroorganizmy” – mówi doktorantka.

Kapsułka stanowi swoistego rodzaju pułapkę, ale jednocześnie spełnia funkcję ochroną dla bakterii przed niekorzystnym działaniem np. niskiej temperatury. Takie bakteryjne kapsułki nie tylko świetnie przeprowadzają proces anammox w bioreaktorze, ale również mogą stanowić materiał do odtworzenia utraconego z różnych powodów procesu po jego zahamowaniu. Mogą też stanowić tzw. zaszczep do uruchomienia go w zupełnie nowym miejscu.

Immobilizacja mikroorganizmów jest bardzo powszechnie stosowana w biotechnologii – opowiada Banach–Wiśniewska. A do tego procesu wykorzystuje się bardzo wiele substancji, np. alginian, alkohol poliwinylowy, celulozę bakteryjną, a nawet szkło, czy porcelanę – opowiada badaczka.

Prace w zakresie immobilizacji dotyczą głównie poszukiwania najtrwalszych mechanicznie nośników, ponieważ nośnik nie może się rozpaść w trakcie procesu w skutek np. mieszania. Ponadto, takie substancje muszą być bezpieczne dla środowiska i pułapkowanych mikroorganizmów, a do tego powinny być stosunkowo tanie i łatwe w otrzymywaniu. Dlatego w swoich badaniach doktorantka testuje różne nośniki i ich połączenia, aby wybrać taki, który będzie najlepiej spełniał swoje zadanie.

W badaniach nad zwiększeniem efektywności procesu anammox naukowcy łączą immobilizację np. z nanomateriałami, takimi jak zredukowany tlenek grafenu (czyt. też tutaj ), czy związki żelaza. Wtedy takie kapsułki nie tylko pozwalają na szybkie uruchomienie czy odtworzenie procesu, ale również zwiększają jego efektywność.

Dr hab. Aleksandra Ziembińska-Buczyńska

dr hab. Aleksandra Ziembińska-Buczyńska, prof. PŚ, jest mikrobiologiem z Politechniki Śląskiej. Jest zwyciężczynią konkursu Popularyzator Nauki 2018, współorganizowanego przez serwis PAP - Nauka w Polsce oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Od 2017 roku kieruje Centrum Popularyzacji Nauki PŚ. W 2015 roku zajęła trzecie miejsce w trzeciej, polskiej edycji konkursu FameLab. W CANAL+ DISCOVERY prowadziła program „Wynalazcy przyszłości”, w którym pokazywała polskie wynalazki i odkrycia, które zmienią w niedalekiej przyszłości nasz świat.

Tekst jest jednym z efektów programu Rzecznicy Nauki, zorganizowanego przez Centrum Nauki Kopernik i Fundację British Council. Program umożliwia nawiązanie współpracy pomiędzy popularyzującymi wiedzę naukowcami, a dziennikarzami zajmującymi się sprawami nauki.

ekr/