Nuove intuizioni sul trattamento dei fanghi granulari aerobici

Il fango granulare aerobico è un metodo usato per trattare le acque reflue. Negli ultimi anni, questa tecnica ha suscitato molto interesse perché offre diversi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali. Con il fango granulare aerobico, gli impianti di trattamento occorrono circa metà dello spazio e il 20% in meno di energia. Questo perché il processo riesce a rimuovere i nutrienti in modo più efficace.

In questo sistema, si formano granuli (piccole aggregazioni di microrganismi) a partire dal normale fango attivato in un tipo speciale di reattore chiamato reattore a ciclo sequenziale (SBR). Questo processo porta a cluster con un'alta densità di vari microrganismi. La struttura unica di questi granuli permette a diversi tipi di batteri di coesistere. Per esempio, i batteri che trasformano l'ammoniaca in sostanze meno nocive possono lavorare insieme a quelli che aiutano a rimuovere il fosforo dalle acque reflue. Questa cooperazione aiuta a scomporre i materiali organici nell'acqua mentre gestisce i livelli di Azoto e fosforo.

Nonostante i vantaggi, non sappiamo ancora abbastanza su come i microrganismi in questi granuli lavorino insieme o come si formino. Servono più studi per comprendere meglio i fattori che influenzano questo processo e per sfruttare al massimo la tecnologia sia dal punto di vista ambientale che industriale.

#Il Processo di Granulazione

La granulazione è influenzata da condizioni specifiche nel reattore. Di solito, i granuli si formano a causa di tre fattori principali. Primo, forze elevate che causano mescolanza aiutano a mettere insieme i microrganismi. Secondo, un ciclo di abbondanza e carestia, dove i microrganismi ricevono improvvisi apporti di cibo seguiti da periodi senza cibo, incoraggia la loro crescita e aggregazione. Infine, la rimozione di particelle più piccole, non granulati, aiuta i granuli più forti a dominare.

Quando i microrganismi passano da uno stato flottante a formare cluster, si adattano alle condizioni nel reattore. Questa adattamento è cruciale per la loro sopravvivenza in ambienti con forti forze di mescolanza.

Oltre ai batteri, anche altri organismi microscopici, inclusi alcuni tipi di funghi e protozoi, giocano ruoli importanti nel trattamento delle acque reflue. Aiutano a far sedimentare i solidi e possono anche mangiare batteri liberi. Tuttavia, non ci sono state abbastanza ricerche su come questi organismi eucarioti contribuiscono al processo di granulazione. Alcuni funghi e protozoi possono persino fungere da struttura di supporto per i granuli, permettendo a più batteri di attaccarsi e crescere. Il pascolo dei protozoi può incoraggiare i batteri a raggrupparsi, ma può anche assottigliare i biofilm, il che può influenzare l'efficienza del trattamento.

#Fattori Chiave nella Formazione dei Granuli

La ricerca sui processi fisici che creano i granuli ha mostrato alcune intuizioni. Tuttavia, la dinamica della comunità, o come interagiscono i diversi microrganismi durante la granulazione, non è ancora ben compresa, in particolare per quanto riguarda le interazioni tra diversi regni della vita.

In uno studio recente, i ricercatori hanno monitorato la struttura e il comportamento delle comunità procariche (batteri) ed eucariote (funghi e protozoi) durante la granulazione del fango per un periodo di 343 giorni in un SBR. Si sono proposti di identificare l'influenza sia di fattori non viventi (abiotici) che viventi (biotici) nello sviluppo dei biofilm granulari.

#Impostazione del Reattore per lo Studio

Lo studio è iniziato con un SBR inoculato con fango attivato di un impianto di trattamento delle acque reflue esistente. L'SBR ha funzionato con un tempo di sedimentazione di 30 minuti nel corso dello studio. I ricercatori hanno usato acque reflue sintetiche per simulare condizioni reali, garantendo un tasso di alimentazione costante di nutrienti ai microrganismi.

Durante lo studio, i ricercatori hanno misurato l'uscita di carbonio organico e azoto nell'acqua trattata. Hanno anche prelevato campioni di fango a diverse altezze nel reattore per avere una comprensione complessiva delle comunità microbiche presenti.

#Analisi del DNA delle Comunità Microbiche

Per comprendere le comunità presenti nel reattore, i ricercatori hanno raccolto oltre cinquanta campioni per analisi del DNA. Hanno estratto il DNA e lo hanno preparato per il sequenziamento, il che ha permesso loro di identificare i diversi microrganismi presenti sia nelle comunità procariche che in quelle eucariote.

Analizzando le sequenze ottenute dal DNA, i ricercatori hanno potuto determinare la composizione delle comunità microbiche nel tempo. Si sono concentrati sulla valutazione della diversità (quanti tipi diversi di organismi erano presenti) e sulle interazioni tra diversi gruppi.

#Osservazione dei Cambiamenti Durante la Granulazione

Mentre i ricercatori monitoravano il processo di granulazione, hanno identificato tre fasi distinte di sviluppo: la fase flocculare, la fase intermedia e la fase granulare. Nella prima fase, le comunità microbiche erano complesse e diverse. Col tempo, certi gruppi di batteri ed eucarioti sono emersi come attori dominanti.

Nella fase iniziale si è assistito all'emergere di batteri noti per la loro capacità di produrre sostanze extracellulari che aiutano nella formazione dei granuli. Con il proseguire del processo, diverse specie hanno cominciato a sostituirsi l'una all'altra, evidenziando i cambiamenti significativi nella composizione della comunità. Anche le comunità eucariote sono cambiate, con diversi gruppi che diventavano più o meno abbondanti in varie fasi.

#Performance del Reattore

Le prestazioni del reattore sono state stabili durante l'esperimento. La rimozione del carbonio dall'acqua è stata costantemente alta, con oltre il 97% del carbonio organico eliminato. Inoltre, la rimozione dell'azoto è stata efficiente per la maggior parte dello studio.

Con l'avanzare della granulazione, i ricercatori hanno notato che le concentrazioni di solidi sospesi nell'effluente sono rimaste basse. La capacità di rimuovere azoto e fosforo è diventata più evidente con l'aumentare delle dimensioni dei granuli, il che ha facilitato una migliore performance del trattamento nel complesso.

#Dinamiche della Comunità Microbica

Durante l'esperimento, i ricercatori hanno osservato significativi cambiamenti nelle comunità microbiche, in particolare nelle prime fasi. La comunità procarica ha subito una drastica diminuzione della diversità nei primi giorni. I batteri inizialmente dominanti sono stati gradualmente sostituiti da nuove specie man mano che il processo di granulazione progrediva.

I ricercatori hanno notato che anche la comunità eucariote ha sperimentato una significativa perdita di diversità, ma questa perdita era più pronunciata rispetto alla comunità batterica. Questo suggerisce che diversi fattori sono in gioco quando si tratta della successione delle comunità microbiche in questi processi di granulazione.

#Interazioni Tra le Comunità

Le interazioni tra comunità procariche ed eucariote sono state attentamente monitorate. Entrambi i tipi di organismi hanno subito cambiamenti paralleli durante l'esperimento, specialmente considerando le specie meno dominanti nella comunità.

Con il raggiungimento della fase granulare, entrambe le comunità hanno iniziato a stabilizzarsi. I ricercatori hanno osservato che la diversità della comunità eucariote era più influenzata dalle interazioni con i corrispondenti procarici, mentre i cambiamenti nella comunità procarica erano più influenzati da fattori ambientali come la concentrazione di nutrienti.

#Analisi di Rete delle Comunità

Conducendo analisi di rete, i ricercatori hanno potuto visualizzare come diversi gruppi di microrganismi interagivano all'interno del reattore. Questo approccio ha aiutato a rivelare moduli distinti o subcomunità all'interno dei gruppi procarici ed eucarioti.

La composizione di queste reti è cambiata nel tempo man mano che emergevano diverse dinamiche comunitarie. La modularità della comunità procarica tendeva a crescere durante certe fasi, indicando un cambiamento nel modo in cui i batteri si raggruppavano insieme. Invece, la comunità eucariote ha mostrato una tendenza alla semplificazione, con meno connessioni tra i diversi gruppi mentre si specializzavano.

#Comprendere il Processo di Granulazione

Il processo di granulazione è complesso, e questo studio ha fornito preziose intuizioni su come i diversi microrganismi interagiscono e si adattano durante questa trasformazione. I fattori ambientali giocano un ruolo cruciale nel guidare i cambiamenti nella struttura della comunità, il che può migliorare l'efficacia complessiva del trattamento delle acque reflue.

I ricercatori hanno scoperto che alti tassi di wash-out, comunemente associati alla granulazione, non sono strettamente necessari per la formazione dei granuli. Anche con tempi di sedimentazione più lunghi, i granuli hanno cominciato a emergere, suggerendo che altri fattori come le forze idrodinamiche e la disponibilità di nutrienti sono altrettanto importanti.

#Conclusione

Lo studio del fango granulare aerobico rivela non solo l'efficacia di questo approccio nel trattare le acque reflue, ma anche le intricate interazioni che si verificano tra comunità procariche ed eucariote. Comprendere queste relazioni può portare a una migliore gestione dei sistemi di trattamento delle acque reflue e a una maggiore efficienza nella rimozione dei nutrienti dalle acque contaminate.

La ricerca continua su queste associazioni microbiche aiuterà a scoprire ulteriori strategie per ottimizzare la granulazione e il processo di trattamento nel complesso, beneficiando infine sia l'ambiente che la salute pubblica. Questa conoscenza può guidare i futuri sviluppi nelle tecnologie di trattamento delle acque reflue, rendendole più sostenibili ed efficienti.