Summary

A Novel bioreaktor for High Density Dyrkning af Diverse mikrobielle samfund

Published: December 25, 2015
doi:

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

Kommunalt spildevand er almindeligt behandles med aktiverede slam processer for at reducere de suspenderede faste stoffer (SS), biologisk iltforbrug (BOD), organisk og uorganisk kvælstof, og fosfor indhold 5,6. Det aktiverede slam proces, et middel til sekundær spildevandsrensning, indebærer oxidation af organisk kulstof i en beluftningstank fyldt med en blandet væske af indkommende spildevand og genbrugt heterotrofe mikroorganismer (almindeligvis benævnt aktiveret slam) 5-7. Den blandede væske derefter ind i en forholdsvis stor klaringstank (bundfældningstank), hvor slammet afregner for nemmere samling, enten bortskaffes eller recirkuleres tilbage til luftningstanken, mens den klarede, renset spildevand kan fortsætte til tertiær behandling eller desinficering, før de frigives til der modtager vand 5-7. Effektiv separation af det behandlede spildevand og faste stoffer (slam) i den sekundære klaringstank er afgørende for den korrekte funktion af en vartewater behandlingssystem, som enhver aktiveret slam fortsætter ud klaringstankene vil øge BOD og SS i spildevandet 5-8.

En række alternative biologiske processer findes for sekundær rensning af spildevand, som reducerer eller eliminerer behovet for store præciserer tanke, herunder fæstnet-vækst (biofilm) reaktorer, membranbioreaktorer (MBRs), og granulerede slam reaktorer. I biofilm reaktorer, dannelsen af ​​biofilm, hvor mikroorganismer naturligt aggregat og vedhæfte som et lag på en fast overflade, giver mulighed for opbevaring og akkumulering af biomasse uden behov for en afklaring tank. Biofilm reaktorer kan inddeles i tre typer: pakket leje, reaktorer med fluid bed-reaktorer og roterende biologiske kontaktorer. Pakket bed-reaktorer, såsom en rislende filtre og biologiske tårne, udnytte en stationær solid vækst overflade 5,6. Fluid bed-reaktorer (FBRs) afhænger af fastgørelsen af ​​mikroorganismer til partikler,såsom sand, granuleret aktivt kul (GAC), eller glasperler, som holdes i suspension ved en høj opadgående strømningshastighed 9,10. Roterende biologiske reaktorer afhænger biofilm dannet på medier knyttet til en roterende aksel tillader biofilmen skal skiftevis udsættes for luft, og væsken bliver behandlet 5,6. MBRs bruger membran filtreringsenheder, enten inden bioreaktoren (nedsænket konfiguration) eller eksternt via recirkulation (side-stream konfiguration) 5,11. Membranerne anvendes til at opnå en god separation af biomasse og faste partikler fra den behandlede væske 11,12. Granulære slam reaktorer er opstrøms- reaktorer, hvor dannelsen af ekstremt tætte og godt bosætter granulat af mikroorganismer opstår, når de udsættes for høje overfladiske luft opstrøms hastigheder 13.

Som et andet alternativ til fremgangsmåden med aktiveret slam, en hidtil ukendt opstrøms reaktor systemet, nu kaldet en høj densitet bioreaktor (HDBR), var designed og bygget af Salg og Shieh (2006) til at studere COD fjernelse af aktiveret slam fra syntetiske affaldsstrømme i lav F / M forhold, der er kendt for at forårsage dannelse af dårlig afregning slam (dvs. bulking slam) 1,7,14. Den HDBR systemet udnyttes modificeret fluid bed-reaktorer, der typisk består af en opstrøms reaktor og en ekstern -recirkuleringstank. Fluid bed-reaktorer drives typisk med recirkulationsstrømmen strømningshastigheder høj nok til at holde biofilmvækst undergrunden suspenderet, men lav nok til, at biofilmen-dækket substrat bibeholdes. I modsætning til fluid bed-reaktorer, i HDBR beskrevet i salgs- og Shieh (2006), der anvendes relativt lave recirkulationsstrøm strømningshastigheder, som sammen med ekstern beluftning, forhindrede forstyrrelse af biomassen zone dannet inde i reaktoren 1. Efterfølgende undersøgelser har vist denne reaktor design evne til at behandle en række kvælstof strømme ved hjælp af nitrificerende / denitrificerende bakterier 3,4. I al studIES dannelsen af et stabilt, tæt biomasse zone inden for HDBR fjernet behovet for en ekstern flokkulering / sedimentering proces 1-4.

Som vi rapporterer her, er brugen af ​​HDBR at vokse tætte kulturer også blevet testet i en fotobioreaktor (PBR) konfiguration til dyrkning af alger. Vi diskutere fordele og ulemper ved denne roman reaktorsystem for alge dyrkning og dens potentiale for at overvinde en stor hurdle i kommercialiseringen af alger biobrændstoffer i forbindelse med biomasse høst (dvs. god fast-væske separation 15,16). Følgende protokol beskriver de nødvendige skridt for at samle, opstart, prøve fra, og opretholde en HDBR med alger som det mikrobielle samfund af interesse. Variationer i opstart og drift protokol heterotrofe og nitrificerende / denitrificerende kulturer vil også blive nævnt. Endelig vil generelle fordele, ulemper og ukendte i denne roman reaktor design fremhæves.

Protocol

1. Reactor Assembly Arrangere reaktorkomponenter henhold til den skematiske i figur 1. Placer reaktoren (R) på en blanding plade, tilføje en omrører til reaktoren. Placer -recirkuleringstank (RT) ved siden af ​​omrøringsplade og reaktoren, så at havnen afløbet (øverst) af tanken er rettet mod kanten af ​​laboratoriearbejdet. Placer affaldsbeholderen (W) under porten afløbet (øverst) af -recirkuleringstank (RT). Placer fødetanken (FT) ved siden af ​​-re…

Representative Results

Den HDBR blev brugt til at dyrke alger over flere forhold mellem indstrømmende ammoniak og nitratkoncentrationer, og samtidig opretholde et totalt indhold af kvælstof i foderet ved 40 mg -NL -1. Tilløb og afløb prøver blev taget dagligt; biomassevægtfylde prøver blev taget ved begyndelsen og slutningen af ​​hver betingelse. Reaktoren tog i gennemsnit 3-5 dage at nå steady state ligevægt efter betingelser blev ændret. Over en lang række tilløb betingelser en tydelig biomasse zonen er oprettet, …

Discussion

Dette afsnit vil starte med en diskussion af protokol variationer er nødvendige for at behandle eventuelle operationelle spørgsmål samt bruge forskellige mikrobielle samfund. Styrkerne i denne reaktor design vil blive diskuteret, herunder evnen til at styre kontrollen med oxygen flux og dannelsen af ​​høj densitet fnug inden i reaktoren. Aktuelle udfordringer og mulige veje af undersøgelsen vil også blive nævnt.

Protokol nuancer og variationer
Driften af ​​HDBR…

Disclosures

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

  1. 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).
  2. Nootong, K. . Performance and kinetic evaluations of a novel bioreactor system in the low-oxygen/low-fluid shear reaction environments. , 3225514 (2006).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Rittmann, B. E., McCarty, P. L. . Environmental Biotechnology: Principles and Applications. , (2001).
  6. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. , (2002).
  7. 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).
  8. Jenkins, D. Towards a Comprehensive Model of Activated-Sludge Bulking and Foaming. Water Science and Technology. 25 (6), 215-230 (1992).
  9. Shieh, W., Keenan, J. Ch. 5 Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Bioproducts. 33, 131-169 (1986).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Christenson, L., Sims, R. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts. Biotechnol Adv. 29 (6), 686-702 (2011).
  16. 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).
  17. Jackson, P. E., Meyers, R. A. . Encyclopedia of Analytical Chemistry. , (2000).
  18. Wilkinson, G. N., Rogers, C. E. Symbolic descriptions of factorial models for analysis of variance. Applied Statistics. 22, 392-399 (1973).
  19. Chambers, J. M., Chambers, J. M., Hastie, T. J. Ch. 4. Statistical Models in S. , (1992).
  20. R Core Team. . R: A Language and Environment for Statistical Computing. , (2015).
  21. 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).
  22. . . Wastewater Management Fact Sheet – Energy Conservation. 832F06024, 1-7 (2006).
  23. Curtis, T. P., Mitchell, R., Gu, J. D. Ch 13. Environmental Biotechnology. , (2010).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Mallick, N., Mohn, F. H. Reactive oxygen species: response of algal cells. Journal of Plant Physiology. 157 (2), 183-193 (2000).
  27. Fridovich, I. Oxygen toxicity: a radical explanation. J Exp Biol. 201 ((Pt 8)), 1203-1209 (1998).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Thomas, D. N., Judd, S. J., Fawcett, N. Flocculation modelling: A review. Water Research. 33 (7), 1579-1592 (1999).
  31. Harris, R. H., Mitchell, R. The role of polymers in microbial aggregation. Annu Rev Microbiol. 27, 27-50 (1973).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Watanabe, K., et al. Symbiotic association in Chlorella culture. FEMS Microbiol Ecol. 51 (2), 187-196 (2005).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
check_url/53443?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Price, J. R., Shieh, W. K., Sales, C. M. A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities. J. Vis. Exp. (106), e53443, doi:10.3791/53443 (2015).

View Video