Роман биореактор для высокой плотности Выращивание разнородных микробных сообществ
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
Городские сточные воды обычно обрабатывают процессов с активным илом с целью снижения взвешенные твердые частицы (SS), биологическое потребление кислорода (БПК), органические и неорганические азотные и содержанием фосфора 5,6. Активированный процесс осадка, средство вторичной очистки сточных вод, влечет за собой окисление органического углерода в аэротенка, наполненной смешанной жидкости из поступающих сточных вод и вторичного гетеротрофных микроорганизмов (как правило, называют активного ила) 5-7. Смешанный раствор затем поступает относительно большое осветлитель (отстойник), где шлам оседает для облегчения сбора, либо утилизировать или возвращается в аэротенк, а осветленный, очищенные сточные воды могут продолжать доочистки или обеззараживания до выпуска в получающие воды 5-7. Эффективное разделение очищенных сточных вод и твердых (шлама) на вторичном отстойнике имеет важное значение для нормального функционирования А былСистема обработки tewater, как и любой активный ил продолжает за осветлителей увеличится БПК и SS в сточных 5-8.
Ряд альтернативных биологических процессов существуют для вторичной очистки сточных вод позволяют сократить или устранить необходимость в больших резервуарах, разъясняющие, в том числе прикрепленного роста (биопленки) реакторов, мембранных биореакторов (МБР), и сыпучих шламовых реакторов. В биопленки реакторов, формирование биопленок, в котором микроорганизмов, естественно совокупности и приложить в виде слоя на твердой поверхности, позволяет удержания биомассы и накопления без необходимости осветл бака. Биопленки реакторы могут быть классифицированы на три типа: реакторов с уплотненным слоем, реакторы с псевдоожиженным слоем, и вращение биологических контакторов. Упакованные реакторы слоем, такие как капельных фильтрах и биологических башен, используют стационарную твердую поверхность роста 5,6. Реакторы с кипящим слоем (FBRs) зависит от приложения микроорганизмов к частицам,таких как песок, гранулированный активированный уголь (GAC), или стеклянные бусы, которые хранятся в суспензии с высокой скоростью восходящего потока 9,10. Вращающиеся биологических реакторов зависит от биопленок, образованных на носителе, прикрепленных на вращающемся валу, позволяющих биопленки быть попеременно экспонированных на воздухе и жидкость проходят лечение 5,6. МУРЗ использовать единицы мембранной фильтрации, либо в биореакторе (погруженной конфигурации) или внешне через рециркуляции (конфигурации сторона-поток) 5,11. Мембраны служат для достижения хорошего разделения биомассы и твердых частиц из обрабатываемого жидкого 11,12. Гранулированные шлама реакторов с восходящим потоком реактора, в котором формирование чрезвычайно плотных и хорошо оседающих гранул микроорганизмов происходит, когда они подвергаются воздействию высокой поверхностной воздуха восходящего потока скоростей 13.
В качестве другой альтернативы в активного ила, роман с восходящим потоком реактора системы, которая теперь называется высокой плотности биореактор (HDBR), был Дизайнд и построен по продажам и Shieh (2006) для изучения удаление ХПК активного ила из потоков отходов синтетических в условиях низких F / M, что, как известно, приводит к образованию осадка плохой осаждения (т.е., наполнители шлама) 1,7,14. Система HDBR использованы модифицированные реакторы с псевдоожиженным слоем, который, как правило, состоят из реактора с восходящим потоком и внешней рециркуляции резервуара. Реакторы с кипящим слоем, как правило, работает с частотой поток рециркуляции потока, достаточно высоких, чтобы субстрат роста биопленки приостановлено, но достаточно низких, так что биопленки покрытые подложки сохраняется. В отличие от реакторов с кипящим слоем, то HDBR описано в продаже и Shieh (2006), используемый относительно низкие цены рециркуляционный поток потока, который, наряду с внешним аэрации, предотвратить нарушение зоны биомассы, образованной в реакторе 1. Последующие исследования показали, способность этого реактора конструкции как успешно лечить целый ряд потоков азота с помощью нитрификации / денитрификации бактерий 3,4. Во всех шпильких годов формирование стабильной, плотной зоне биомассы в рамках HDBR отпала необходимость во внешнем флокуляции процесса / оседания 1-4.
Как мы сообщаем, использование HDBR расти густые культуры был также протестирован в фотобиореактор (PBR) конфигурации для выращивания водорослей. Мы обсудим преимущества и недостатки этой новой системы реактора для выращивания водорослей и потенциал для преодоления большой барьер в коммерциализации водорослей биотоплива, связанных с уборки биомассы (т.е. хорошо твердой и жидкой фаз 15,16). Следующий протокол описывает шаги, необходимые для сборки, запуска, образец из, и поддерживать HDBR с водорослями, как микробного сообщества интерес. Изменения в запуске и эксплуатации протокола гетеротрофных и нитрифицирующих / Денитрифицирующие культур также будут упомянуты. Наконец, будут выделены общие преимущества, недостатки, и неизвестные этой новой конструкции реактора.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом разделе будет начать с обсуждения изменений протокола, необходимых для решения возможных оперативных вопросов, а также с использованием различных микробных сообществ. Будут обсуждаться сильные данной конструкции реактора, в том числе способность управлять контроль потока кис…
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).
