다양한 미생물 커뮤니티의 고밀도 배양위한 새로운 생물 반응기
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
하수는 일반적 부유 고형물 (SS), 생물학적 산소 요구량 (BOD), 유기 및 무기 질소 및 인의 함유량 5,6-을 줄이기 위해 활성 슬러지 공정으로 처리한다. 활성 오니 법, 이차 폐수 처리의 수단은, 수신 된 폐수와 미생물 재순환 영양 혼합액 가득 폭기조 내의 유기 탄소의 산화를 수반 5-7 (통상적으로 활성 슬러지로 언급). 혼합액은 슬러지가 쉽게 수집 침전 비교적 큰 정화기 (침전조)에 입사 배치 또는 정화, 폐수 처리가 급 치료 또는 소독을 계속할 수있는 반면에 방출되기 전에, 다시 폭기조로 재순환 될 어느 수신 물 5-7. 차 침전지에서 처리 된 폐수와 고형물 (슬러지)의 효율적인 분리했다의 적절한 기능을 위해 필수적이다tewater 처리 시스템, 어떤 활성 슬러지가 유출 5-8에서 BOD와 SS를 증가 정화기를 넘어 계속있다.
다른 생물학적 과정의 수를 감소 시키거나 부착 성장 (생물막) 반응기의 멤브레인 생물 반응기 (MBR에) 및 입상 슬러지 반응기 명확히 포함 큰 탱크의 필요성을 제거하는 폐수 처리의 보조를 위해 존재한다. 생물막 반응기, 천연 골재 및 미생물 고체 표면 상에 층으로서 부착 된 바이오 필름의 형성에서, 명확히 탱크를 필요로하지 않고 바이오 매스 보유 및 축적을 허용한다. 생물막 반응기는 세 가지 유형으로 분류 될 수있다 : 충전 층 반응기, 유동층 반응기, 및 생물학적 접촉자를 회전. 이러한 살수 필터 및 생물학적 타워로 충전 층 반응기는, 고정 견고한 성장 표면 5,6를 사용한다. 유동층 반응기 (FBRs)는 입자 미생물의 부착에 따라 달라집니다모래와 같은 입상 탄소 (GAC), 또는 높은 상향 유량 9,10 의해 현탁액에 유지되는 유리 비드를 활성화. 회전 생물 반응기는 생물막 있도록 회전축에 부착 된 용지 상에 형성된 바이오 필름을 교대로 공기에 노출되도록 상기 액체 5,6 치료할에 의존한다. MBR에는 생물 반응기 (잠수 구성) 내부 또는 외부 재순환 (측면 스트림 구성) 5,11를 통해 중, 막 여과 장치를 사용합니다. 멤브레인 (11, 12)에서 처리 된 액체 매스와 고체 입자의 양호한 분리를 달성하는 역할을한다. 입상 슬러지 반응기는 미생물이 매우 치밀하고 잘 정착 과립의 형성은 이들이 높은 표면 상향 공기에 노출 될 때 발생한다 (13)를 상향 유동 반응기의 속도이다.
활성 오니 법, 신규 상향 유동 반응기 시스템에 대한 또 다른 대안으로서, 현재 고밀도 생물 반응기 (HDBR)라고 고안했다D와 가난한 침전 슬러지의 형성을 일으키는 것으로 알려져 있습니다 낮은 F / M 조건에서 합성 폐기물 (즉, 벌킹 슬러지) 1,7,14에서 활성 슬러지에 의한 COD 제거를 공부 판매 (2006) Shieh에 의해 만들어진. 이용 HDBR 시스템은 일반적으로 상향 유동 반응기 외부의 재순환 탱크로 구성 유동층 반응기를 변형. 생물막 덮인 기판이 유지되도록 유동층 반응기는 일반적으로 충분한 정지 생물막 성장 하층을 유지하기에 충분히 높지만 낮은 재순환 스트림 흐름 속도로 동작한다. 유동층 반응기와 달리 HDBR 매출액 및 설명 (2006)은 외부 Shieh 통기와 함께, 반응기 (1)의 내부에 형성된 매스 존의 중단을 방지, 비교적 낮은 재순환 스트림의 유속을 사용 하였다. 후속 연구는 성공적 박테리아 3,4- 탈질 / 질산화 된 질소를 이용하여 플럭스의 범위를 치료하는 반응기 설계의 능력을 증명 하였다. 모든 스터드에서HDBR 내의 안정한 고밀도 매스 존의 형성은 외부 응집 / 침전 공정 1-4에 대한 필요성을 제거 이거 야.
우리가 여기 보고서로, 고밀도 문화를 성장 HDBR의 사용은 또한 조류의 배양을위한 광 생물 반응기 (PBR) 구성에서 테스트되었습니다. 우리는 혜택과 조류 재배에이 소설 반응기 시스템의 단점과 바이오 매스 수확 (즉, 좋은 고체 – 액체 분리 15, 16)과 관련된 조류 바이오 연료의 상용화에 큰 장애물을 극복하기위한 가능성을 논의한다. 다음 프로토콜은 시작부터 샘플, 조립, 관심있는 미생물 군집으로 조류와 HDBR을 유지하는 데 필요한 단계를 설명합니다. 종속 영양 및 질산화 / 탈질 문화의 시작 및 동작 프로토콜의 변화도 언급 될 것입니다. 마지막으로, 일반적인 장점, 단점,이 새로운 원자로 설계의 미지수가 강조 표시됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 섹션에서는 가능한 운영 문제뿐만 아니라 다른 미생물 군집을 사용하여 해결하는 데 필요한 프로토콜의 변화에 대한 논의와 함께 시작됩니다. 이 반응기 설계의 장점은 산소 유량의 제어 및 반응기 내의 고밀도 플록의 형성을 제어하는 기능을 포함하여, 설명한다. 현재 도전과 조사 가능한 도로도 언급됩니다.
프로토콜 뉘앙스의 변화
문화의 다른 유…
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).
