חנקה (NO3) הינה גורם מזהם סביבתי נפוץ. במאמר זה נתרכז בזיהום מי תהום אשר מקורו בפעילות אנושית וחקלאית הכוללת שימוש עודף בדשנים, השקיה בקולחין, מרעה בקר ואף תוצאה של ייבוש ביצות קדומות. זליגת החנקה למי שתייה עלולה להוביל לפגיעה בריאותית בתינוקות ופעוטות (פגיעה בהובלת החמצן בגוף) בעיקר, אך גם במבוגרים חנקה בריכוז גבוה עלולה ליצור בעיות בריאותיות. כמו כן, עודפי חנקה בסביבה מביאים לפגיעה במארג האקולוגי עקב הסכנה של פריחת אצות במקווי מים. לכן, ישנה חשיבות לטפל במי תהום, שפכים וקולחין המכילים ריכוזים גבוהים של חנקות בפרט ותרכובות חנקן בכלל. אחת הדרכים היעילות והכלכליות ביותר להוצאת החנקה ממים כוללת שימוש במיקרואורגניזמים אשר הופכים את החנקה לחנקן מולקולרי (N2) אשר נפלט לאטמוספירה ובכך אינו מזיק יותר לסביבה.
הטיפול הביולוגי מתבסס על ניצול החנקה על ידי החיידקים והמרתה לחנקן בצורתו הגזית ((N2 בסביבה ללא חמצן. היכרות מיטבית של תנאי הגידול, הוספת אוכלוסיית חיידקים מתאימה וקיבועה על נשאים ביולוגיים, מאפשרים ריבוי טוב של האוכלוסייה אשר מעלה את יעילות טיהור המים מתרכובות החנקן.
כחלק מהפרויקט לשיקום אקוות החוף בין אשדוד לשדרות, מותפלים מי תהום מליחים ועשירים בחנקה ומסופקים כמי שתייה. סילוק זרם הרכז המליח (כ־1.5% מלחים) והעשיר בחנקה (כ־250 מיליגרם בליטר), מחייב סילוק מקדים של החנקה לפני השחרור לים. מטרתה של עבודת המחקר הנוכחית הייתה לבחון מערכת טיפול ביולוגית לסילוק חנקה זו. הניסוי הנוכחי מקדים פיילוט שטח שיבחן טיפול בנפחי מים גדולים ובזמנים קצרים בנוכחות אוכלוסייה חיידקית ייחודית שנמצאה ואופיינה במהלך עבודת המחקר.
מחקר זה תוכנן ובוצע בתנאי מעבדה שאפשרו לבודד את החיידק מסביבתו הטבעית וללמוד על יכולותיו לבצע סילוק חנקה בתנאים מבוקרים. החיידק המבודד Acinetobacter EMY בודד מביוריאקטור לפירוק מזהמים אורגניים בשל יכולותיו לגדול כביופילם בצורה מרשימה ביותר (גידול מאוד מהיר ויצירת ביופילם יציב לאורך זמן בתנאים ללא חמצן). הניסויים הראשונים התרכזו בהכרת תנאי גידול מיטביים במדיום של מי רכז של אוסמוזה הפוכה שהכילו כ־250 מיליגרם חנקה לליטר. מי הרכז לא הכילו חומר אורגני החיוני לתהליך הביולוגי, ועל כן הוספנו בניסויים סודיום ציטראט כמקור פחמן.
תוצאות הניסויים הראו כי לחיידק המבודד החדש במעבדתנו, ישנו פוטנציאל מבטיח לסלק חנקה מהמים, ממי הרכז שהכילו כ־230 מג"ל חנקה, בתנאי שמספקים לו חומר אורגני במידה מספקת. באיור 1 ניתן לראות את הפחתת החנקה על ידי חיידקים מרחפים בתמיסה (האוכלוסייה לא מקובעת על משטחים) במי הרכז. מסקנה חשובה העולה מניסוי זה היא היכולת המרשימה של החיידק Acinetobacter EMY לסלק חנקה ממי רכז של התפלה אשר הפלורה הטבעית שלה אינה יודעת לבצע את התהליך, ומכאן שתוספת החיידק היא הכרחית לביצוע התהליך. תוצאה זו מרשימה מאוד מבחינת הקינטיקה אשר נמצאה גבוהה מהספרות .(Yang et al. 2012, Qing et al, 2018)
כעת, על מנת להפחית את זמן השהייה ההידראולי (כמה זמן המים נמצאים במיכל הטיפול – בביוריאקטור), החיידק גודל על גבי משטחי פלסטיק ייעודיים אשר להם ציפה ניטרלית במים ושטח פנים גדול במיוחד וזאת על מנת ליצור כמות גדולה של ביומסה אשר מקובעת על פני המשטחים (איור מספר 2). הניסוי הנוכחי, כמו הקודם, הכיל מי רכז של אוסמוזה הפוכה שהכילו כ־250 מיליגרם ובתוספת של סודיום ציטראט כמקור פחמן. קיבוע הביומסה מאפשר להחליף את גוף המים במהירות, להגדיל את הספיקה המטופלת ולהפריד בין החיידקים מהמים בקלות ובמהירות (בניגוד לתרחיף חיידקים שיסחף עם זרם המים הנכנס לביוריאקטור ובכך ידולל ויעלם בפרק זמן קצר).
על מנת לטפל בנפחי מים גדולים יותר תוכננה מערכת ביוריאקטורים רציפה, הכוללת קיבוע ביופילם (Moving bad biofilm reactor – MBBR) (איור מספר 3). במהלך הניסוי נבחן זמן השהייה ההידראולי המינימאלי (אשר נגזר מהספיקה ונפח הריאקטור – יותר ספיקה מביאה לפחות זמן שהייה הידראולי) האפשרי וזאת על מנת לטפל בכמה שיותר מים בזמן קצר ביותר, דבר המאשר גם צמצום של התשתית הדרושה למתקן הטיפול.
תוצאות הניסוי הרציף מופיעות באיור 4. התוצאות מראות כי זמן השהייה ההידראולי (HRT) של שש שעות מאפשר למים לצאת נקיים מניטראט באופן מלא. ניתן לראות כי ריכוז החנקה בנקודת הכניסה נשאר קבוע על כ־250 מג"ל ניטראט, דבר המראה כי ללא טיפול, החנקה נשארת במים באין מפריע. כאשר המערכת הופעלה עם זמן שהייה הידראולית של ארבע שעות, נצפתה עלייה בריכוז הניטראט ביציאה לכ־50 מג"ל, אך לאחר שלושה מחזורים בתנאים אלה, ניתן לראות כי מתקבל ריכוז נמוך מ־10 מג"ל של חנקה ביציאה, ונראה כי החיידקים עברו התאמה לתנאים החדשים ופעלו אם כן במהירות גדולה יותר. ירידה לזמן שהייה הידראולי של שלוש שעות הראתה עלייה בריכוז הניטראט ביציאה אשר שוב יורד מעט ומתייצב מתחת ל־40 מג"ל לאחר שלושה סבבי מחזור של המים. ירידה בזמן השהייה ההידראולי לשעה וחצי בלבד מראה סילוק של כ־60% מכמות הניטראט ההתחלתי (עם יציאה של כ־100 מג"ל ניטראט במים היוצאים מהביוריאקטור). השיפור בביצועי המערכת מוכיח כי החיידקים המקובעים ממשיכים להתרבות ואוכלוסייתם מתייצבת ולכן קצב המטבוליזם שלהם עולה. גם קצב הסרת החנקה עולה עם הזמן, ככל שמעלים את הספיקה של המים המטופלים בכניסה לריאקטור ומקצרים בכך את זמן השהייה ההידראולי.
לשם השוואת התוצאות של מחקר זה לעבודות קודמות סיכמנו בטבלה מספר 1 את העבודות הבולטות בספרות, אשר גם בהן נעשה שימוש בחיידקים להרחקת חנקות ממי תהום ומי רכז שמקורם בתהליך טיהור מים על ידי אוסמוזה הפוכה. הטבלה מלמדת כי התוצאות שהתקבלו במחקר שלנו עולות מבחינת יעילות ההרחקה של החנקה לעומת העבודות הקודמות. לדוגמא, עבודתו של פאנג סו מציגה הסרה של 0.00493 ק"ג חנקה למ"ק מים ליום כאשר הריכוז ההתחלתי הוא 18 מג"ל בלבד בזמן שהייה של 8 שעות (Feng Su et al. 2019). וואנג מציג הסרה טובה יותר בשני סדרי גודל לעומת עבודתו של פאנג סו, עם קצב הסרה של 0.32 ק"ג חנקה למ"ק מים ליום בזמן שהייה הזהה לזמן שלנו, כאשר ריכוז הניטראט ההתחלתי הוא רק 55 מג"ל (Wang et al. 2009). עבודה נוספת היא עבודתו של ג'ון פאנג שמדווח של שיעור הסרה של 80% בזמן שהייה ארוך יחסית של 12 שעות (Jun Feng et al. 2018). בליאסקי ושותפיו (Beliavski et al. 2010) בחנו טיפול במי רכז של אוסמוזה הפוכה והדגישו כי הטיפול במים הוא מאתגר מכיוון שאוכלוסיית הביופילם דורשת זמן הבשלה בכדי להוביל להסרה מיטבית וזמן השהייה הנדרש של המים בביוריאקטור הוא על כן ארוך יחסית. בעבודתם, שיא יכולתו של הביופילם עמד על כ־0.3 ק"ג חנקה למ"ק מים ליום, לעומת כ־1.5 ק"ג (!!!) חנקה למ"ק מים ליום במחקר שלנו.
טבלה מספר 1: השוואה בין הספרות לעבודה הנוכחית בקצב ובאחוז הסרת הניטראט על ידי ביומסה מקובעת ממי תהום המכילים ניטראט.
| ריכוז חנקה בכניסה (מג"ל) | ריכוז חנקה ביציאה (מג"ל) | אחוז הסרה (%) | קצב הסרת ניטראט (Kg-N/(m^3*d) | זמן שהייה הידראולי (ש') | מקורות |
| 125 | 0 | 100 | 0.05-0.3 | 8 | Beliavski et al. (2010( |
| 18 | 2 | 99.8 | 0.004 | 8 | Feng Su et al. (2019) |
| 55.03 | 1.13 | 97.9 | 0.32 | 4 | Wang et al. (2009) |
| 50 | 10 | 80 | 0.8 | 12 | Jun Feng et al. (2018) |
| 258 | 4.6 | 99.8 | 1.524 | 4 | העבודה שלנו |
לסיכום, ממחקר זה עולה כי החיידק Acinetobacter EMY שבודד במעבדתנו הינו בעל יכולת טובה לסילוק חנקות ומתאים לבניית מערכת לטיפול ביולוגי עם נשאים ביולוגיים במים העשירים בחנקות. קיבוע אוכלוסיית החיידקים, בהנחה כי ניתן מספיק מקור פחמן ואנרגיה, מאפשר הסרת ריכוזי חנקה של כ־200-250 מג"ל בתוך שעות בודדות במערכת רציפה. הטיפול המוצע יכול להיות ישים, למשל, במקומות בהם מטפלים במי תהום (מליחים או לא מליחים) המכילים חנקות על ידי אוסמוזה הפוכה או בקולחין המכילים חנקות. במחקר עתידי אנו מציעים לבחון את יכולת החיידק לבצע הסרת חנקה ביולוגית מיטבית וליעל הסרת חנקה בפיילוט שטח אשר יטפל בנפח של אלפי ליטרים ביום, על מנת לבחון את הישרדות אוכלוסיית החיידקים ותפקודה לאורך זמן גם בתנאי שטח ובטיפול בנפחי מים גדולים.
רשימת ספרות:
Beliavski, M., Meerovich, I., Tarre, S., & Green, M. (2010). Biological denitrification of brines from membrane treatment processes using an upflow sludge blanket (USB) reactor. Water Science and Technology, 61(4), 911-917.
Feng Su, J., Xue, L., lin Huang, T., Wei, L., yu Gao, C., & Wen, Q. (2019). Performance and microbial community of simultaneous removal of NO3−-N, Cd2+ and Ca2+ in MBBR. Journal of environmental management, 250, 109548.
Jun Feng, S., Cheng, C., & Wei, L. (2018). Assessment of Nitrate Removal Coupled with Fe (II) Oxidation and Analysis of Microbial Communities in a Moving-Bed Biofilm Reactor. Geomicrobiology journal, 35(4), 277-283.
Qing, H., Donde, O. O., Tian, C., Wang, C., Wu, X., Feng, S., … & Xiao, B. (2018). Novel heterotrophic nitrogen removal and assimilation characteristic of the newly isolated bacterium Pseudomonas stutzeri AD-1. Journal of bioscience and bioengineering.
Wang, Q., Feng, C., Zhao, Y., & Hao, C. (2009). Denitrification of nitrate contaminated groundwater with a fiber-based biofilm reactor. Bioresource Technology, 100(7), 2223-2227.
Yang, X., Wang, S., & Zhou, L. (2012). Effect of carbon source, C/N ratio, nitrate and dissolved oxygen concentration on nitrite and ammonium production from denitrification process by Pseudomonas stutzeri D6. Bioresource Technology, 104, 65-72.
יובל שליּ12, , מרטין קוק1, גדי זעירא 3 ואייל קורצבאום1
1מכון שמיר למחקר, אוניברסיטת חיפה, קצרין
2התוכנית לתואר שני במדעי המים, המכללה האקדמית תל-חי
3מקורות