The use of anammox bacteria as a source of specific membrane phospholipids
Vedoucí/Supervisor
prof. Ing. Jan Bartáček, Ph.D.
Ing. Vojtěch Kouba, Ph.D.
Jazyk/Language
English
Abstrakt
Proces anammox umožňuje efektivní odstraňování dusíku z odpadních vod. Jeho udržitelnost by však mohla být dále zlepšena prostřednictvím využití zdrojů. Jedním z potenciálních cílů tohoto využití mohou být ladderánové lipidy, které se nacházejí výhradně u anammox bakterií a mohou nalézt uplatnění v mnoha odvětvích. Optimální podmínky pro jejich produkci a důvod jejich syntézy anammox bakteriemi však zůstávají neobjasněny. V této práci jsme provedli komplexní hodnocení udržitelnosti různých procesů odstraňování dusíku z kalové vody včetně procesu anammox. Současně jsme popsali adaptační mechanismy anammox bakterií na různé environmentální podmínky, přičemž jsme se zaměřili na změny
ladderánových lipidů a mechanismy na proteomické úrovni. Dále jsme zkoumali optimální podmínky pro proces anammox a produkci ladderánů včetně jejich struktury a obsahu v biomase. Naše výsledky odhalují nový adaptační mechanismus, cyklizaci ladderánů, který přináší nové poznatky o jejich roli při prevenci ztráty protonového gradientu a možné rigidifikaci membrán při vystavení vysoké teplotě, pH a pravděpodobně také salinitě a koncentraci volného amoniaku. Navození podmínek vedoucích k vyšší cyklizaci ladderánů může navýšit jejich výtěžek a tyto cenné látky extrahovat přímo z agregované biomasy čistíren odpadních vod prostřednictvím námi navržené izolace anammoxosomů. Tato práce přináší komplexní hodnocení udržitelnosti procesu Anammox a objasňuje, jak ladderány umožňují adaptaci anammox bakterií na různé podmínky. Tyto poznatky mohou přispět k rozšíření aplikace procesu anammox a podpořit využití ladderanových lipidů v různých průmyslových odvětvích, vedoucí k přeměně čistíren odpadních vod v biorafinerie.
Abstract
Anammox process enables efficient nitrogen removal from wastewater. However, its sustainability could be further improved by resource recovery. One such resource recovery target could be ladderane lipids, found solely in anammox bacteria, as they offer applications in various industries. However, their optimal production conditions and the reason behind their
synthesis by anammox bacteria remain to be elucidated. In this thesis, we conducted a holistic assessment of the sustainability of the nitrogen removal process from reject water, including the anammox process. Moreover, we described the
adaptation mechanisms of anammox bacteria to environmental conditions, focusing on alterations in ladderane lipids and proteomic-level mechanisms. Furthermore, we investigated the optimal conditions for the anammox process and the production of ladderanes, including their structure and content in the biomass. Our findings reveal a novel adaptation mechanism, ladderane cyclisation, which provides new insights into the role of ladderanes in preventing the
loss of proton motive force and potentially rigidifying the membranes against high temperature, pH and possibly salinity and free ammonia concentrations. This mechanism also suggests a promising approach for increasing ladderane yield, further supported by our work on the extraction of ladderane lipids from aggregate biomass via anammoxosome isolation imitating
the conditions of extraction from full-scale installations. Overall, this thesis presents a comprehensive assessment of the sustainability of the anammox process and elucidates how ladderanes facilitate anammox bacteria adaptation to various
conditions. These insights could broaden the application of the anammox process and promote the use of ladderane lipids in diverse industries, thereby transforming wastewater treatment plants into biorefineries.