Currently, one of the main challenges in anammox-based systems for mainstream treatment is the stable production of nitrite within the system and the possibility that increased organic loading rates would lead to the out-competition of slow-growing anammox bacteria by heterotrophs. To study the potential of engineering a microbial community of DNRA and anammox bacteria for mainstream treatment, an anammox MBBR was started and operated for 180 days with a filling ratio of 40%, an HRT of 2 days, and a Nitrogen Load Rate (NLR) of 140 $g m^{-3} day^{-1}$ (ammonium plus nitrite). At the end of the operation, $NH_4^+$ removal and Total Nitrogen Removal (TNR) reached an average of about 80%. The ratios of nitrite consumed and nitrate produced per ammonium consumed were 1.24 and 0.23, respectively. Metagenomic analysis of the inoculum and the added virgin carriers in the MBBR on days 22, 105, and 145 showed the following relative abundance of C. anammox Brocadia: 82.1%, 41.9%, 3.6%, and 6.4%. From day 23 to 40 and day 53 to 69, a technical trouble in the reactor led to a ratio <0.2 of nitrate produced per ammonium consumed, including periods where nitrate was not measured in the effluent. This event is the most likely reason for the decrease in the relative abundance of anammox bacteria in the MBBR due to the out competition by the heterotroph community present in the anammox carriers. Despite the decreased relative abundance of anammox bacteria, it was observed an anaerobic consumption of ammonium coupled with nitrite consumption and nitrate production in ratios similar to the theoretical anammox stoichiometry during the whole operation of the reactor. Thus, anammox activity was concluded to be present during the 180 days of operation. Parallel to the operation of the anammox MBBR, a total of 9 DNRA-positive bacteria, all identified as the genus Citrobacter, were isolated from the anoxic tank of Daejeon WWTP using two different mediums for the isolation. A mixed DNRA culture was prepared with three Citrobacter isolates. At a high C-to-N ratio of 10, the mixed culture transformed nearly all the nitrate into ammonium, and no nitrite was accumulated in the medium. At a low C-to-N ratio of 1.25, the mixed culture of DNRA accumulated 50% of the nitrate in the form of nitrite, produced 12% ammonium, and the nitrate remaining reached 16%. This study demonstrates the potential of a mixed culture of DNRA bacteria to perform partial DNRA and accumulate nitrite that could be used as a substrate for anammox reaction. We suggest the engineering of a community composed of anammox and DNRA bacteria to solve the anammox-related mainstream challenges. (The author of this thesis is a Global Korea Scholarship scholar sponsored by the Korean Government)
현재 하수처리장 주처리 공정의 anammox 기반 시스템의 주요 과제 중 하나는 시스템 내 아질산염
의 안정적인 생산 과 anammox 균이 다른 종속영양생물과의 경쟁에서 우점할 수 있도록 하는 유기
물 적재율을 조정하는 것이다 . 주류 처리 공정 를 위한 부분적 DNRA A nammox 반응의 결합 가능성을
연구하기 위해 40% 의 충전 비율 , 2 일의 HRT, $g m^{-3} day^{-1}$ ($NO_2^-, NH_4^+$) 의 질소 부하율 ( 로
180 일 동안 anammox MBBR 을 가동하였다 가동 종료 시 $NH_4^+$ 제거 율 및 TNR(Total Nitrogen
Removal) 은 평균 약 80% 까지 도달하였으며 소비된 암모늄당 아질산염 소비량과 생성된 질산염
비율($NO_2^-/NH_4^+$ 와 $NO_3^-/NH_4^+$)은 각각 1.24 와 0.23 이었다 MBBR 의 접종원 과 추가된 운반체 의 메
타지놈 분석결과 , 22 일 105 일 그리고 145 일의 C .anammox brocadia 의 상대적 풍부도가 각각 82.1%,
41.9%, 3.6%, 6.4% 으로 분석되었다 23 일에서 40 일 과 53 일에서 69 일 사이에 반응기의 기술적 문
제로 인해 반응기에서 질산염이 측정되지 않은 기간을 포함하여 소비된 암모늄당 생성된 질산염
의 비율이 0.2 미만 이었다 이는 anammox 운반체에 존재하는 종속영양 미생물 군집과 MBBR 의
anammox 균의 경쟁으로인한 상대적 풍부도의 감소때문인것으로 보여진다 그럼에도 불구하고, 반
응기의 전체 작 동 시간 동안 이론적 anammox 화학양론과 유사한 비율로 아질산염 소비 및 질산염
생산 에 따른 암모늄의 혐기성 소비가 관찰되었으며 이는 전체 180 일의 작동 기간 동안 anammox 가
진행된 것으로 보여진다 Anammox MBBR 의 가동과 병행하여 대전 하수처리장 무산소조에서
Citrobacter 속으로 동정된 총 9 개의 DNRA 균주를 두 가지 배지를 사용하여 분리하 였고 , 각 배지
에서 임의로 선택한 균주와 본 연구실에서 이미 분리한 Citro bacter sp.DRNA3 를 사용하여 혼합
DNRA 컬쳐를 준비하였다 높은 C/N 비율 ( 에서 본 혼합배양액은 거의 모든 질산염을 암모늄으
로 전환시켰고 아질산염은 배지에 축적되지 않 았으나 , 1.25 의 낮은 C/N 비율에서 DNRA 의 혼합
배양은 50% 의 질산염을 아질산염 형태로 축적하고 12% 의 암모늄을 생 성하였으며 남은 15% 은 질산
염 형태로 남았다 본 연구는 DNRA 박테리아의 혼합 배양이 부분 DNRA 를 수행하고 anammox 반응
의 기질 로 사용될 수 있는 아질산염을 축적할 수 있는 가능성을 보여 준다 본 연구는 anammox 주
처리공정의 문제를 해결하기 위해 anammox 와 DNRA 박테리아로 구성된 마이크로바이옴의 엔지니어
링을 제안 한다 본 논문작성자는 한국정부초청장학금 (Global Korea Scholarship) 을 지원받은 장학생임.
