Bioreactor רומן לטיפוח צפיפות גבוה של קהילות חיידקים מגוונות
Summary
A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.
Abstract
A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD1 and nitrogen species2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH4+ and NO3– concentrations in the feed did not have an effect on NH4+ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH4+ feed concentration was found to be negatively related with NO3– removal (n=44, p=0.000) and NO3– feed concentration was found to be positively correlated with NO3– removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH4+, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH4+ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.
Introduction
שפכים עירוניים מטופל בדרך כלל בתהליכי בוצה משופעלת על מנת להפחית את המוצקים מרחפים (SS), ביקוש ביולוגי חמצן (BOD), חנקן אורגני ואי-אורגני, ותוכן זרחן 5,6. תהליך הבוצה משופעלת, אמצעי טיפול בשפכים המשני, כרוך החמצון של פחמן אורגני בטנק אוורור מלא במשקאות מעורבים של שפכים נכנסים ומיקרואורגניזם heterotrophic הממוחזר (המכונה בוצה משופעלת נפוץ) 5-7. המשקאות המעורבים ואז נכנס לטהור גדול יחסית (טנק יישוב) שבו הבוצה מסתפקת באוסף קל יותר, או כדי להיות מסולק או ממוחזר חזרה לטנק האוורור, ואילו בשפכים הבהירו, שטופלו יכולים להמשיך טיפול או חיטוי שיישונים לפני ששוחרר ל מים מקבלים 5-7. הפרדה יעילה של הקולחים ומוצקים (בוצה) בלטהור המשני היא חיונית לתפקוד התקין של היהמערכת טיפול tewater, כמו כל בוצה משופעלת ממשיכה מעבר לclarifiers תגדיל את BOD ואס-האס ב5-8 בשפכים.
מספר התהליכים ביולוגיים חלופיים קיימים לטיפול שניוני בשפכים, אשר להפחית או לבטל את הצורך בטנקי הבהרה גדולים, כוללים מצורף צמיחה כורים (biofilm), bioreactors הקרום (MBRs), וכורים גרעיניים בוצה. בכורים biofilm, ההיווצרות של biofilms, שבו מיקרואורגניזמים באופן טבעי הכולל ולצרף כשכבת על משטח מוצק, מאפשר לשימור ביומסה והצטברות ללא הצורך בטנק הבהרה. כורי biofilm ניתן לסווג לשלושה סוגים: כורי מיטה ארוזה, כורי מיטה מרחף, ומסתובבים קבלנים ביולוגיים. כורי מיטה ארוזים, כגון מסננים מטפטפים ומגדלים ביולוגיים, לנצל משטח מוצק צמיחה נייחת 5,6. כורי מיטה מרחף (FBRs) תלויים בקובץ המצורף של מיקרואורגניזמים לחלקיקים,כגון חול, גרגירי פחם פעילים (GAC), או חרוזי זכוכית, אשר נשמרים בהשעיה על ידי קצב זרימה כלפי מעלה גבוה 9,10. כורים ביולוגיים מסתובבים תלויים בbiofilms נוצר על התקשורת מחוברת לפיר מסתובב המאפשרת biofilm להיחשף לסירוגין לאוויר ומטופלת הנוזל 5,6. MBRs להשתמש ביחידות סינון קרום, או בתוך (התצורה השקועה) bioreactor או חיצוני באמצעות מחזור (תצורת צד-זרם) 5,11. הקרומים לשמש כדי להשיג הפרדה טובה של ביומסה וחלקיקים מוצקים מ11,12 הנוזל שטופל. כורים גרעיניים הם בוצת כורי upflow בי ההיווצרות של גרגרים מאוד צפופים ויישוב היטב של מיקרואורגניזמים מתרחשת כאשר הם נחשפים לאוויר upflow השטחי גבוה מהירויות 13.
כחלופה נוספת לתהליך הבוצה משופעלת, מערכת כור upflow רומן, התקשר עכשיו bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR), היה designeד ונבנה על ידי מכירות וShieh (2006) ללמוד הסרת COD על ידי בוצה משופעלת מזרמים פסולת סינתטיות בתנאי F / M נמוכים שידועים כי הם גורמים להיווצרות בוצת יישוב עניה (כלומר, בוצת bulking) 1,7,14. מערכת HDBR מנוצלת שונה כורי מיטה מרחף, כי בדרך כלל מורכב מכור upflow ומכל מחזור חיצוני. כורי מיטה מרחף מופעלים בדרך כלל עם ספיקות זרם מחזור גבוהות מספיק כדי לשמור על תשתית צמיחת biofilm המושעית אבל נמוכות מספיק כדי שהמצע מכוסה biofilm נשמר. שלא כמו כורי מיטה מרחף, HDBR מתואר במכירות וShieh (2006) המשמש ספיקות זרם מחזור נמוכות יחסית אשר, יחד עם אוורור חיצוני, מנעו שיבוש אזור ביומסה נוצר בתוך הכור 1. מחקרים נוספים הראו את יכולתו של עיצוב כור זה לטפל בהצלחה במגוון רחב של נתיבי חנקן באמצעות ניטיריפיקציה / denitrifying חיידקי 3,4. בכל העגילIES ההיווצרות של אזור יציב, צפוף ביומסה בHDBR ביטלה את הצורך בתהליך / שקיעה חיצונית הפתתה 1-4.
כפי שאנו מדווחים כאן, השימוש בHDBR לגדול תרבויות צפופות גם נבדק בתצורת photobioreactor (PBR) לגידול של אצות. אנו דנים את היתרונות וחסרונות של מערכת כור הרומן הזה לטיפוח אצות והפוטנציאל שלה להתגבר על מכשול גדול במסחור של דלק ביולוגי אצות הקשורים קציר ביומסה (כלומר, הפרדה מוצקה נוזל טוב 15,16). הפרוטוקול הבא מתאר את הצעדים הדרושים כדי להרכיב, הפעלה, מדגם מ, ולשמור על HDBR עם אצות כקהילת החיידקים של עניין. שינויים בפרוטוקול ההפעלה ותפעול של תרבויות heterotrophic וניטיריפיקציה / denitrifying יהיו גם ציינו. לבסוף, יתרונות כלליים, חסרונות, ונעלמים של עיצוב כור הרומן הזה יהיו מודגשים.
Protocol
Representative Results
Discussion
סעיף זה יתחיל בדיון על וריאציות פרוטוקול הדרושות כדי לטפל בבעיות תפעוליות אפשריות, כמו גם שימוש בקהילות חיידקים שונות. נקודות החוזק של עיצוב כור זה יידון, כולל היכולת למשול שליטה של שטף חמצן ויצירת flocs צפיפות הגבוהה בתוך הכור. אתגרים נוכחיים ואפיקים אפשריים של חקי…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.
Materials
| Aeration stone | Alita | AS-3015C | |
| Aerator | Top Fin | Air-1000 | |
| Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | |
| Anion analysis column | Shodex | IC SI-52 4E | |
| Beaker (600 mL) | Corning Pyrex | 1000-600 | Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 mL levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
| Calcium chloride | Sigma Aldrich | C5670 | |
| Cation analysis column | Shodex | IC YS-50 | |
| Cobalt chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | C8661 | |
| Copper chloride | Sigma Aldrich | 222011 | |
| Ferric chloride | Sigma Aldrich | 157740 | |
| Filter (vacuum) | Fisherbrand | 09-719-2E | 0.45 um membrane filter, MCE, 47 mm diameter |
| Graduated cylinder (1000 mL) | Corning Pyrex | 3025-1L | Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 mL, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
| HPLC/IC | Shimadzu | Prominence | |
| Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | M2643 | |
| Masterflex L/S variable speed drive | Masterflex | 07553-50 | Drive for recycle and feed pumps (2 needed) |
| Nickel chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | N6136 | |
| Potassium nitrate | Sigma Aldrich | P8291 | |
| (Monobasic) Potassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | |
| Pump head | Masterflex | 07018-20 | Recycle pump head |
| Pump head | Masterflex | 07013-20 | Feed pump head |
| Pump tubing | Masterflex | 6404-18 | Recycle pump tubing |
| Pump tubing | Masterflex | 6404-13 | Feed pump tubing |
| Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
| Zinc sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | Z0251 |
References
- Sales, C. M., Shieh, W. K. Performance of an aerobic/anaerobic hybrid bioreactor under the nitrogen deficient and low F/M conditions. Water Res. 40 (7), 1442-1448 (2006).
- Nootong, K. . Performance and kinetic evaluations of a novel bioreactor system in the low-oxygen/low-fluid shear reaction environments. , 3225514 (2006).
- Nootong, K., Shieh, W. K. Analysis of an upflow bioreactor system for nitrogen removal via autotrophic nitrification and denitrification. Bioresour Technol. 99 (14), 6292-6298 (2008).
- Ramanathan, G., Sales, C. M., Shieh, W. K. Simultaneous autotrophic denitrification and nitrification in a low-oxygen reaction environment. Water Sci Technol. 70 (4), 729-735 (2014).
- Rittmann, B. E., McCarty, P. L. . Environmental Biotechnology: Principles and Applications. , (2001).
- Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. , (2002).
- Palm, J. C., Jenkins, D., Parker, D. S. Relationship between Organic Loading, Dissolved-Oxygen Concentration and Sludge Settleability in the Completely-Mixed Activated-Sludge Process. Journal Water Pollution Control Federation. 52 (10), 2484-2506 (1980).
- Jenkins, D. Towards a Comprehensive Model of Activated-Sludge Bulking and Foaming. Water Science and Technology. 25 (6), 215-230 (1992).
- Shieh, W., Keenan, J. Ch. 5 Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Bioproducts. 33, 131-169 (1986).
- Shieh, W. K., Li, C. T. Performance and Kinetics of Aerated Fluidized-Bed Biofilm Reactor. Journal of Environmental Engineering-Asce. 115 (1), 65-79 (1989).
- Alvarez-Vazquez, H., Jefferson, B., Judd, S. J. Membrane bioreactors vs conventional biological treatment of landfill leachate: a brief review. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 79 (10), 1043-1049 (2004).
- Fenu, A., et al. Activated sludge model (ASM) based modelling of membrane bioreactor (MBR) processes: a critical review with special regard to MBR specificities. Water Res. 44 (15), 4272-4294 (2010).
- Liu, Y., Tay, J. H. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge. Water Res. 36 (7), 1653-1665 (2002).
- Chudoba, J., Grau, P., Ottová, V. Control of activated-sludge filamentous bulking-II. Selection of microorganisms by means of a selector. Water Research. 7 (10), 1389-1406 (1973).
- Christenson, L., Sims, R. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts. Biotechnol Adv. 29 (6), 686-702 (2011).
- Henderson, R., Parsons, S. A., Jefferson, B. The impact of algal properties and pre-oxidation on solid-liquid separation of algae. Water Res. 42 (8-9), 8-9 (2008).
- Jackson, P. E., Meyers, R. A. . Encyclopedia of Analytical Chemistry. , (2000).
- Wilkinson, G. N., Rogers, C. E. Symbolic descriptions of factorial models for analysis of variance. Applied Statistics. 22, 392-399 (1973).
- Chambers, J. M., Chambers, J. M., Hastie, T. J. Ch. 4. Statistical Models in S. , (1992).
- R Core Team. . R: A Language and Environment for Statistical Computing. , (2015).
- Ramanathan, G., Sales, C. M., Shieh, W. K. Apendix:Simultaneous autotrophic denitrification and nitrification in a low-oxygen reaction environment. Water Science & Technology. 70 (4), 729-735 (2014).
- . . Wastewater Management Fact Sheet – Energy Conservation. 832F06024, 1-7 (2006).
- Curtis, T. P., Mitchell, R., Gu, J. D. Ch 13. Environmental Biotechnology. , (2010).
- Asada, K. THE WATER-WATER CYCLE IN CHLOROPLASTS: Scavenging of Active Oxygens and Dissipation of Excess Photons. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 50, 601-639 (1999).
- Mullineaux, P., Karpinski, S. Signal transduction in response to excess light: getting out of the chloroplast. Curr Opin Plant Biol. 5 (1), 43-48 (2002).
- Mallick, N., Mohn, F. H. Reactive oxygen species: response of algal cells. Journal of Plant Physiology. 157 (2), 183-193 (2000).
- Fridovich, I. Oxygen toxicity: a radical explanation. J Exp Biol. 201 ((Pt 8)), 1203-1209 (1998).
- Doyle, S. M., Diamond, M., McCabe, P. F. Chloroplast and reactive oxygen species involvement in apoptotic-like programmed cell death in Arabidopsis suspension cultures. J Exp Bot. 61 (2), 473-482 (2010).
- Eisma, D., et al. Suspended-matter particle size in some West-European estuaries; part II: A review on floc formation and break-up. Netherlands Journal of Sea Research. 28 (3), 215-220 (1991).
- Thomas, D. N., Judd, S. J., Fawcett, N. Flocculation modelling: A review. Water Research. 33 (7), 1579-1592 (1999).
- Harris, R. H., Mitchell, R. The role of polymers in microbial aggregation. Annu Rev Microbiol. 27, 27-50 (1973).
- Raszka, A., Chorvatova, M., Wanner, J. The role and significance of extracellular polymers in activated sludge. Part I: Literature review. Acta Hydrochimica Et Hydrobiologica. 34 (5), 411-424 (2006).
- Lakaniemi, A. M., Intihar, V. M., Tuovinen, O. H., Puhakka, J. A. Growth of Dunaliella tertiolecta and associated bacteria in photobioreactors. J Ind Microbiol Biotechnol. 39 (9), 1357-1365 (2012).
- Lakaniemi, A. M., Intihar, V. M., Tuovinen, O. H., Puhakka, J. A. Growth of Chlorella vulgaris and associated bacteria in photobioreactors. Microb Biotechnol. 5 (1), 69-78 (2012).
- Natrah, F. M. I., Bossier, P., Sorgeloos, P., Yusoff, F. M., Defoirdt, T. Significance of microalgal-bacterial interactions for aquaculture. Reviews in Aquaculture. 6 (1), 48-61 (2014).
- Dittami, S. M., Eveillard, D., Tonon, T. A metabolic approach to study algal-bacterial interactions in changing environments. Mol Ecol. 23 (7), 1656-1660 (2014).
- Watanabe, K., et al. Symbiotic association in Chlorella culture. FEMS Microbiol Ecol. 51 (2), 187-196 (2005).
- Burke, C., Thomas, T., Lewis, M., Steinberg, P., Kjelleberg, S. Composition, uniqueness and variability of the epiphytic bacterial community of the green alga Ulva australis. ISME J. 5 (4), 590-600 (2011).
- Krohn-Molt, I., et al. Metagenome survey of a multispecies and alga-associated biofilm revealed key elements of bacterial-algal interactions in photobioreactors. Appl Environ Microbiol. 79 (20), 6196-6206 (2013).
- Cooper, E. D., Bentlage, B., Gibbons, T. R., Bachvaroff, T. R., Delwiche, C. F. Metatranscriptome profiling of a harmful algal bloom. Harmful Algae. 37, 75-83 (2014).
