多様な微生物群集の高密度栽培のための新しいバイオリアクター
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
地方自治体の廃水は、一般的に浮遊物質（SS）、生物学的酸素要求量（BOD）、有機および無機窒素、及びリン含量5,6を低減するために、活性汚泥プロセスで処理されます。活性汚泥法、二次廃水処理の手段は、入ってくる廃水リサイクル従属栄養微生物の混合液を充填した曝気槽中の有機炭素の酸化を伴う5-7（一般的に、活性汚泥と呼ばれます）。混合液は、その後明らかにし、下水処理水が中に放出される前に、三次処理や消毒に続けることができますが、汚泥は、曝気槽に配置されたか、再循環することのいずれかに、より簡単に収集するために落ち着く比較的大きな清澄（沈殿槽）に入り、受信水域5-7。二次清澄における下水処理水と固形物（汚泥）の効率的な分離があったの適切な機能のために不可欠ですtewater処理システム、任意の活性汚泥が排出物5-8の BODとSSを増加させる清澄を超えて継続しました。
代替生物学的プロセスの数が減少または（バイオフィルム）成長添付リアクター、メンブレンバイオリアクター（MBRの）、および粒状汚泥リアクターを含む大規模な明確タンクの必要性を排除する、廃水の二次処理のために存在します。バイオフィルムリアクターでは、骨材自然微生物および固体表面上の層として添付しているバイオフィルムの形成は、明確にタンクを必要とせずに、バイオマスの保存・蓄積することができます。バイオリアクターは、3種類に分類することができる：充填床反応器、流動床反応器、および生物接触器を回転させます。このようしたたるフィルタおよび生物学的塔として充填床反応器は、固定固体成長表面5,6を利用します。流動床反応器（高速炉）は、粒子への微生物の付着に依存しますこのような高い上昇流速度9,10によって懸濁液中に保持される砂、粒状活性炭（GAC）、またはガラスビーズ、など。回転の生物学的反応器は、バイオフィルムが交互に空気と5,6を治療されている液体にさらされることを可能にする回転軸に取り付けられたメディア上に形成されたバイオフィルムによって異なります。 MBRのは、バイオリアクター（水没設定）内または外部再循環（サイドストリーム構成）5,11のいずれかを介して、膜ろ過ユニットを使用しています。膜は、処理液11,12からバイオマスおよび固体粒子の良好な分離を達成するのに役立ちます。グラニュール汚泥反応器は、それらが高い空塔上昇流速度13にさらされているときに、微生物の非常に緻密でよくセトリング顆粒の形成が発生する上昇流反応装置です。
活性汚泥プロセスの別の代替として、今高密度バイオリアクター（HDBR）と呼ばれる新規な上向流反応器システムは、designeましたDと貧しい沈降スラッジの発生を引き起こすことが知られている低F / Mの条件で合成廃棄物の流れ（ すなわち 、増量汚泥）1,7,14から活性汚泥によりCOD除去を研究するために販売および（2006）Shiehによって建てられました。利用HDBRシステムは、典型的には、上向流反応器および外部循環タンクから成る流動床反応器を修正しました。バイオフィルムで覆われた基板が保持されるように、流動床反応器は、典型的には、十分に懸濁し、バイオフィルムの成長基体を維持するのに十分高いが、低再循環流の流量で作動されます。流動床反応器とは異なり、HDBRはセールスに記載されており、（2006）Shiehは、外部通気とともに、 反応器1内に形成されたバイオマスゾーンの破壊を防止し、比較的低い再循環流の流速を使用していました。その後の研究では、正常に硝化/脱窒細菌に3,4を用いて、窒素フラックスの範囲を治療するために、この反応器設計の能力を実証しています。すべてのスタッドでHDBR内で安定、高密度のバイオマスゾーンの形成が外部凝集/沈降プロセス1-4の必要性を排除IES。
私たちがここで報告したように、高密度の文化を成長させるHDBRの使用はまた、藻類の培養のための光バイオリアクター（PBR）の構成でテストされています。私たちは、藻類栽培とバイオマス収穫（ すなわち 、良好な固液分離15,16）に関連した藻類バイオ燃料の実用化の大きなハードルを克服するために、その可能性のためにこの新規原子炉システムの利点と欠点について説明します。以下のプロトコルは、起動時からのサンプル、組み立て、および関心の微生物群集としての藻類とHDBRを維持するために必要な手順を説明します。従属と硝化/脱窒文化の起動と操作プロトコルの変化も言及されます。最後に、一般的な利点、欠点、およびこの新規原子炉の設計の未知数が強調表示されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
このセクションでは、可能な運用上の問題に対処するだけでなく、異なる微生物群集を使用するために必要なプロトコルの変化の議論で開始します。この反応器の設計の長所は、反応器内の酸素フラックス及び高密度フロックの形成制御を管理する能力を含めて、説明されます。現在の課題や調査の可能な手段も言及されます。
プロトコルニュアンスとバリエーショ…
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
- 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).
