Çeşitli mikrobiyal Toplulukları Yüksek Yoğunluklu Yetiştirme için Yeni Bir Biyoreaktör
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
Kentsel atık su genellikle askıda katı madde (SS), biyolojik oksijen talebi (BOD), organik ve inorganik azot ve fosfor içeriği 5,6 azaltmak amacıyla aktif çamur işlemleri ile muamele edilir. Aktif çamur yöntemi, sekonder atık su işleme için bir araç, gelen atık ve geri dönüşümlü heterotrofik mikroorganizmanın karışık sıvısı ile doldurulmuş bir havalandırma tankında organik karbon oksidasyonunu gerektirir 5-7 (yaygın aktif çamur olarak da adlandırılır). Karışık likör sonra çamur için, daha kolay toplanması için yerleşir nispeten büyük arıtıcı (dinlendirme tankı) girer elden çıkarılması veya açıklık, arıtılmış atık su üçüncül tedavi veya dezenfeksiyon devam edebilirsiniz ederken salınan önce, geri havalandırma tankına geri dönüştürülebilir ya alan sular 5-7. İkincil arıtıcı tedavi atıksu ve katı (çamur) Verimli ayrılması oldu düzgün fonksiyonu için gereklidirtewater arıtma sistemi, herhangi bir aktif çamur atık 5-8 BOİ ve SS artacak Çöktürme ötesine devam olarak.
Alternatif biyolojik süreçlerin bir dizi azaltmak veya ekli-büyüme (biyofilm) reaktörler, membran Biyoreaktörlerin (MBR'leri) ve granül çamur reaktörler de dahil olmak üzere geniş açıklığa kavuşturulması tankları, ihtiyacını ortadan kaldırmak atıksuyun ikincil tedavisi için mevcuttur. Biyofilm reaktör, doğal agrega mikroorganizmalar ve katı bir yüzey üzerinde bir katman olarak bağlandıkları biyofilmlerin oluşumuyla olarak, açıklık tankın gerek kalmadan biyokütle tutma ve birikimi sağlar. Biyofilm reaktörler üç tip halinde sınıflandırılabilir: paketlenmiş yataklı reaktörler, akışkan yataklı reaktörler ve dönen biyolojik. Böyle bir trickling filtreleri ve biyolojik kuleleri Paketli yataklı reaktörler, sabit bir katı büyüme yüzeyi 5,6 kullanmaktadır. Akışkan yataklı reaktörler, (FBRs), parçacıkların Mikroorganizmaların bağlanması bağlıdırkum gibi granül karbon (GAC) ya da yüksek yukarı doğru akış oranı 9,10 ile süspansiyon içinde muhafaza edilmiştir cam boncuk, aktif. Döner biyolojik reaktörler biyofilm sağlayan bir döner şaftına bağlı ortam üzerinde oluşturulmuş biyofilm alternatif olarak havaya maruz kalma ve sıvı 5,6 tedavi edilen bağlıdır. MBR'leri biyoreaktör (batık konfigürasyonunda) içinde veya dışarıdan devridaim (yan-akım konfigürasyonu) 5,11 vasıtasıyla ya, membran filtrasyon üniteleri kullanın. Membranlar tedavi sıvı 11,12 den biyokütle ve katı parçacıkların iyi ayrılmasını sağlamak için hizmet vermektedir. Granül çamur reaktörler içinde mikroorganizmaların çok yoğun ve iyi yerleşme granüllerin oluşumu yüksek yüzeysel hava yukarı doğru çıktığı maruz kaldığında ortaya çıkar 13 hızlar yukarı akış reaktörlerdir.
Aktif çamur işlemi, yeni bir yukarı akış reaktör sistemi için başka bir alternatif olarak, hemen yüksek yoğunluklu biyoreaktör (HDBR) olarak adlandırılan, designe oldud ve yoksul yerleşim çamur oluşmasına neden olduğu bilinmektedir düşük F / M koşullarında sentetik atık akışları (yani, kabarma çamur) 1,7,14 dan aktif çamur tarafından KOİ giderimi incelemek için Satış ve (2006) Shieh tarafından inşa. Kullanılan HDBR sistemi tipik olarak, bir yukarı akış reaktörü ve bir dış devri daim tank, akışkan yataklı reaktörler modifiye. Biyofilm kaplı substrat tutulacak şekilde Akışkan yataklı reaktörler tipik olarak yeterince süspansiyon haline biyofilm büyüme alt katmanı tutmak için yeterince yüksek, fakat düşük yeniden çevrim akımı, akış oranları ile çalıştırılır. Akışkan yataklı reaktörlerde aksine, HDBR Satış anlatılan ve (2006) Shieh dış havalandırma ile birlikte, reaktörün 1 bünyesinde oluşturulan biyokütle bölgenin bozulması önlenir, nispeten düşük devri daim akımı debileri kullanılır. Daha sonraki çalışmalar başarıyla bakteri 3,4 denitrifikasyon / nitrifikasyon kullanarak azot akışlarının bir dizi tedavi etmek için bu reaktör tasarımın yeteneğini göstermiştir. Tüm saplamaHDBR içinde istikrarlı, yoğun biyokütle bölgenin oluşumu harici flokülasyon / sedimantasyon süreci 1-4 ihtiyacını ortadan ies.
Burada rapor olarak yoğun kültürleri büyümeye HDBR kullanımı da alg yetiştirilmesi için bir foto-biyo (PBR) konfigürasyonunda olarak test edilmiştir. Biz yararları ve alg ekimi için bu yeni reaktör sisteminin sakıncalarını ve biyokütle toplama (yani, iyi katı-sıvı ayırma 15,16) ile ilişkili Alg biyoyakıt ticarileştirilmesi büyük bir engel üstesinden gelmek için potansiyel tartışmak. Aşağıdaki protokol başlatma, örnek, monte ve ilgi mikrobiyal topluluk olarak yosun ile HDBR korumak için gerekli adımları açıklar. Heterotrofik ve nitrifikasyon / Azot salan kültürlerinin başlangıç ve işletme protokolü değişimler de söz edilecektir. Son olarak, genel avantajları, dezavantajları, ve bu yeni reaktör tasarımının bilinmeyenler vurgulanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu bölüm olası operasyonel konularda yanı sıra farklı mikrobiyal topluluklar kullanarak çözmek için gerekli protokol varyasyonları bir tartışma başlayacak. Bu reaktör tasarımının güçlü oksijen akı kontrolü ve reaktör içinde yüksek yoğunluklu flocs oluşumunu yönetme yeteneği dahil olmak üzere, ele alınacaktır. Güncel sorunlar ve soruşturmanın olası caddeleri de söz edilecektir.
Protokol nüansları ve çeşitleri
Kültürlerin farklı yeti?…
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).
