Extraction, recovery and characterisation of extracellular polymeric substances (EPS) of anammox and anaerobic granular sludge

Extracellular polymeric substances (EPS) are chains of polysaccharides secreted by bacterial cells. EPS protect bacteria from external factors such as environmental conditions and toxic substances; ensure cell stability; enhance adsorption and adhesion properties; represent a source of carbon and energy. EPS are present in granular sludge both in anaerobic ammonium oxidation (anammox) and anaerobic processes, two broadly adopted wastewater treatment techniques for nitrogen removal. The main objectives are to analyse the differences among anammox granules, to unravel their composition, to compare anammox and anaerobic granules and EPS, and to correlate the performances of the anammox reactor with the EPS quality. During my work at the laboratory of environmental engineering (laboratorio di ingegneria ambientale – LIA) of the Department of Civil and Environmental Engineering (DICA) of Politecnico di Milano, EPS both from anammox and anaerobic granular sludge have been extracted, analysed and compared. In particular, the work was conducted on five anammox samples and two anaerobic. The anammox were collected monthly from July to December from a pilot-scale reactor of a textile industry located in Como (Lombardy) while anaerobic granules come from two different wastewater treatment plants (WWTP) dealing with effluents from a brewery and a paper industry. First of all, granular sludge has been studied, both quantitively and qualitatively. Secondly, EPS was extracted using the heating-Na2CO3 based method; polysaccharides (PS) and protein (PN) fractions of EPS and its yield have been calculated; UltraViolet-Visible Spectroscopy (UV-vis) and polymeric fraction characterisation were performed. It was observed that anammox granules are more reddish, smaller and less robust than anaerobic granules. Moreover, the EPS yield of anammox granules is above the anaerobic granules average, and it is characterised by a higher amount of PN and PS. On the other hand, in anammox samples collected from July to December, a decreasing PN/PS trend is visible, which might indicate a reactor malfunctioning.

Le sostanze polimeriche extracellulari (EPS) sono polimeri naturali secreti da microorganismi, fra cui i batteri, nell’ambiente circostante. Le EPS proteggono gli organismi da condizioni ambientali avverse come la presenza di sostanze tossiche; garantiscono la stabilità cellulare; migliorano le proprietà di adsorbimento e adesione; rappresentano una fonte di carbonio ed energia. Le EPS sono presenti nei fanghi granulari sia nell'ossidazione anaerobica dell'ammonio (anammox) che nei processi anaerobici, due tecniche di trattamento delle acque reflue ampiamente adottate per la rimozione dell'azoto. L’obiettivo del lavoro è triplice: capire le caratteristiche delle EPS anammox, scoprirne la composizione, evidenziare le differenze fra le EPS dei fanghi granulari anammox e anarobici e correlare la qualità e il rendimento degli EPS anammox con le performance del reattore. Durante il mio lavoro presso il Laboratorio di Ingegneria Ambientale (LIA) del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA) del Politecnico di Milano, sono stati estratti, analizzati e confrontati EPS sia da fanghi granulari anammox che anaerobici. In particolare, il lavoro è stato condotto su cinque campioni di anammox e su due anaerobici. Gli anammox sono stati raccolti mensilmente da luglio a dicembre da un reattore pilota di un’industria tessile nella zona di Como (Lombardia) mentre i granuli anaerobici provengono da due diversi impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) che trattano rispettivamente gli scarti di un birrificio e di un'industria cartaria. In primo luogo, è stato studiato il fango granulare, sia quantitativamente che qualitativamente. In seguito, abbiamo estratto le EPS utilizzando il metodo riscaldamento-Na2CO3 e calcolato le frazioni di polisaccaridi (PS) e proteine (PN) nelle EPS e la sua resa. Infine abbiamo effettuato la spettroscopia ultravioletta-visibile (UV-vis) e la caratterizzazione della frazione polimerica. È stato concluso che i granuli di anammox sono più rossastri, più piccoli e meno robusti dei granuli anaerobici. Inoltre, la resa in EPS dei granuli di anammox è superiore alla media dei granuli anaerobici ed è caratterizzata da una maggiore quantità di PN e PS. D'altra parte, nei campioni di anammox, è visibile una tendenza negativa da luglio a dicembre del rapporto PN/PS, che potrebbe indicare un malfunzionamento del reattore.