Bioreactor רומן לטיפוח צפיפות גבוה של קהילות חיידקים מגוונות

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.

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 species^2-4 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.

שפכים עירוניים מטופל בדרך כלל בתהליכי בוצה משופעלת על מנת להפחית את המוצקים מרחפים (SS), ביקוש ביולוגי חמצן (BOD), חנקן אורגני ואי-אורגני, ותוכן זרחן ^5,6. תהליך הבוצה משופעלת, אמצעי טיפול בשפכים המשני, כרוך החמצון של פחמן אורגני בטנק אוורור מלא במשקאות מעורבים של שפכים נכנסים ומיקרואורגניזם heterotrophic הממוחזר (המכונה בוצה משופעלת נפוץ) ^5-7. המשקאות המעורבים ואז נכנס לטהור גדול יחסית (טנק יישוב) שבו הבוצה מסתפקת באוסף קל יותר, או כדי להיות מסולק או ממוחזר חזרה לטנק האוורור, ואילו בשפכים הבהירו, שטופלו יכולים להמשיך טיפול או חיטוי שיישונים לפני ששוחרר ל מים מקבלים ^5-7. הפרדה יעילה של הקולחים ומוצקים (בוצה) בלטהור המשני היא חיונית לתפקוד התקין של היהמערכת טיפול tewater, כמו כל בוצה משופעלת ממשיכה מעבר לclarifiers תגדיל את BOD ואס-האס ^ב5-8 בשפכים.

מספר התהליכים ביולוגיים חלופיים קיימים לטיפול שניוני בשפכים, אשר להפחית או לבטל את הצורך בטנקי הבהרה גדולים, כוללים מצורף צמיחה כורים (biofilm), bioreactors הקרום (MBRs), וכורים גרעיניים בוצה. בכורים biofilm, ההיווצרות של biofilms, שבו מיקרואורגניזמים באופן טבעי הכולל ולצרף כשכבת על משטח מוצק, מאפשר לשימור ביומסה והצטברות ללא הצורך בטנק הבהרה. כורי biofilm ניתן לסווג לשלושה סוגים: כורי מיטה ארוזה, כורי מיטה מרחף, ומסתובבים קבלנים ביולוגיים. כורי מיטה ארוזים, כגון מסננים מטפטפים ומגדלים ביולוגיים, לנצל משטח מוצק צמיחה נייחת ^5,6. כורי מיטה מרחף (FBRs) תלויים בקובץ המצורף של מיקרואורגניזמים לחלקיקים,כגון חול, גרגירי פחם פעילים (GAC), או חרוזי זכוכית, אשר נשמרים בהשעיה על ידי קצב זרימה כלפי מעלה גבוה ^9,10. כורים ביולוגיים מסתובבים תלויים בbiofilms נוצר על התקשורת מחוברת לפיר מסתובב המאפשרת biofilm להיחשף לסירוגין לאוויר ומטופלת הנוזל ^5,6. MBRs להשתמש ביחידות סינון קרום, או בתוך (התצורה השקועה) bioreactor או חיצוני באמצעות מחזור (תצורת צד-זרם) ^5,11. הקרומים לשמש כדי להשיג הפרדה טובה של ביומסה וחלקיקים מוצקים ^מ11,12 הנוזל שטופל. כורים גרעיניים הם בוצת כורי upflow בי ההיווצרות של גרגרים מאוד צפופים ויישוב היטב של מיקרואורגניזמים מתרחשת כאשר הם נחשפים לאוויר upflow השטחי גבוה מהירויות ^13.

כחלופה נוספת לתהליך הבוצה משופעלת, מערכת כור upflow רומן, התקשר עכשיו bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR), היה designeד ונבנה על ידי מכירות וShieh (2006) ללמוד הסרת COD על ידי בוצה משופעלת מזרמים פסולת סינתטיות בתנאי F / M נמוכים שידועים כי הם גורמים להיווצרות בוצת יישוב עניה (כלומר, בוצת bulking) ^1,7,14. מערכת HDBR מנוצלת שונה כורי מיטה מרחף, כי בדרך כלל מורכב מכור upflow ומכל מחזור חיצוני. כורי מיטה מרחף מופעלים בדרך כלל עם ספיקות זרם מחזור גבוהות מספיק כדי לשמור על תשתית צמיחת biofilm המושעית אבל נמוכות מספיק כדי שהמצע מכוסה biofilm נשמר. שלא כמו כורי מיטה מרחף, HDBR מתואר במכירות וShieh (2006) המשמש ספיקות זרם מחזור נמוכות יחסית אשר, יחד עם אוורור חיצוני, מנעו שיבוש אזור ביומסה נוצר בתוך הכור ^1. מחקרים נוספים הראו את יכולתו של עיצוב כור זה לטפל בהצלחה במגוון רחב של נתיבי חנקן באמצעות ניטיריפיקציה / denitrifying חיידקי ^3,4. בכל העגילIES ההיווצרות של אזור יציב, צפוף ביומסה בHDBR ביטלה את הצורך בתהליך / שקיעה חיצונית הפתתה ^1-4.

כפי שאנו מדווחים כאן, השימוש בHDBR לגדול תרבויות צפופות גם נבדק בתצורת photobioreactor (PBR) לגידול של אצות. אנו דנים את היתרונות וחסרונות של מערכת כור הרומן הזה לטיפוח אצות והפוטנציאל שלה להתגבר על מכשול גדול במסחור של דלק ביולוגי אצות הקשורים קציר ביומסה (כלומר, הפרדה מוצקה נוזל טוב ^15,16). הפרוטוקול הבא מתאר את הצעדים הדרושים כדי להרכיב, הפעלה, מדגם מ, ולשמור על HDBR עם אצות כקהילת החיידקים של עניין. שינויים בפרוטוקול ההפעלה ותפעול של תרבויות heterotrophic וניטיריפיקציה / denitrifying יהיו גם ציינו. לבסוף, יתרונות כלליים, חסרונות, ונעלמים של עיצוב כור הרומן הזה יהיו מודגשים.

1. אסיפת כור

1. מסדרים את רכיבי הכור לפי סכמטי באיור 1.
   1. מניחים את הכור (R) על צלחת ערבוב, מוסיף בר ומערבבים לכור. מניחים את מיכל המיחזור (RT) ליד הצלחת ומערבבים וכור, כך שיציאת שפכים (למעלה) של הטנק מכוונת לקצה ספסל המעבדה.
   2. מניחים את מיכל הפסולת (W) מתחת לנמל שפכים (למעלה) של טנק המיחזור (RT). מניחים את מיכל ההזנה (FT) בסמוך לטנק המיחזור (RT).
      הערה: יש טנק ההזנה בהספק כולל של 5 ל '
2. אבטח את הכור (R) נגד מפנה עם עמדה ומהדקים בגודל מתאים. כמו כן, להבטיח את טנק המיחזור (RT) כדי למנוע תנועה.
3. הכנס צינור משאבת peristaltic ניאופרן במחזור (משאבה) ולהאכיל את ראשי משאבה (משאבה ב '). עיין בטבלת חומרים למפרטי צינורות נוספים. התקן את ראשי המשאבה על כונני משאבה עם provi הברגיםטוליפ אין עם כונני המשאבה.
4. חיבור צינורות של משאבה ליציאות בכור ומכל המיחזור. הכנס את הקצה של הצינור של המשאבה B לתוך טנק ההזנה ומכל המיחזור. חבר את יציאת כור העליונה למכל המיחזור עם צינורות. החל מלחציים לצינורות בנמלי הכור.
   הערה: קהילות פוטוסינתזה עשויות ליהנות מתאורה מלאכותית הניתנת על ידי מנורות.

2. הכנת פתרונות מניות, פתרונות influent / הזנה, ואצות Inoculant

1. הכן את פתרון מניות מינרלים. להוסיף את הדברים הבאים בבקבוק נפח 1 ליטר עם 500 מיליליטר של מים ללא יונים: סודיום ביקרבונט 200 גרם, אשלגן monobasic 40 גרם, מגנזיום סולפט 4 g, כלוריד Ferric 4 g, סידן כלורי 4 g, כלוריד נחושת 1 גרם, קובלט 1 גרם hexahydrate כלוריד, hexahydrate כלוריד ניקל 1 גרם, heptahydrate סולפט אבץ 1 גרם. להוסיף 400 מיליליטר נוסף של מים ללא יונים. מערבולת בכוח כדי לעודד את פירוקה של מלחים. diss הבאolution של מלחים, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של פתרון ל1 ל '
2. הכן את פתרון מניות אמוניה. בבקבוק נפח 1 ליטר, לפזר 38.214 גרם אמוניום כלוריד בכ 900 מיליליטר של מים ללא יונים. לאחר פירוק, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של עד 1,000 מיליליטר.
   הערה: 1 מיליליטר של פתרון מניות בדילול מלא לL 1 מניב L 10 מ"ג ^-1 NH ₄ ⁺ -N פתרון.
3. הכן את פתרון המניות חנקה. בבקבוק נפח 1 ליטר, לפזר 72.413 גרם של אשלגן חנקה בכ 900 מיליליטר של מים ללא יונים. לאחר פירוק, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של עד 1,000 מיליליטר.
   הערה: 1 מיליליטר של פתרון מניות בדילול מלא לL 1 מניבה L 10 מ"ג ^-1 NO ₃ ^- -N פתרון.
4. הכן הזנה / פתרון influent. כדי להפוך פתרון הזנה המכיל 20 מ"ג L ^-1 NH L ₄ ⁺ ו-N 20 מ"ג ^-1 NO ₃ ^- -N, לדלל 2 מיליליטר שלפתרון mmonia מניות ו -2 מיליליטר של פתרון מניות חנקה להיקף כולל 1 ליטר. לפני הדילול, להוסיף 0.5 מיליליטר פתרון מינרלים / L של פתרון שנעשים. הכן 5 L של influent בסך להתחיל את הכור.
5. הכן את inoculant האצות.
   1. לאסוף נפח גדול (לפחות 10 ליטר) של מים מגוף מים המכילים אצות כגון נחל או בריכה. לאפשר האצות להתיישב על ידי השארת דגימות מים באין מפריעות במשך 24 שעות.
   2. למזוג וזורקים (לא אצות מכילות) ברורות מים בחלק העליון של הדגימות, עוזב השעיה אצות מרוכזת בתוך בקבוקי המדגם. מערבבים את ההשעיה אצות מכל הדגימות לתוך מכולה אחת ולחזור על ההתיישבות וצעדי decanting.
   3. מדוד את ביומסה בתוך המדגם המרוכז.
      1. ייבש מסנן אבק נייר (מסנן 0.45 מיקרומטר MCE ואקום) ואלומיניום שוקל O סירה / N בתנור שנקבע ל 103 מעלות צלזיוס לאחר מגניב למטה בתא ייבוש למשך 30 דקות ב RT למדוד את שיתוףmbined ההמוני של המסנן ולשקול סירה.
      2. מסנן אבק 20 מיליליטר של השעיה אצות מרוכזת ולהחזיר את המסנן ולשקול סירה לתנור לייבוש O / N.
      3. למדוד את המסה בשילוב של המסנן ולשקול סירה. לחשב את הצפיפות ביומסה בתוך המדגם המרוכז.
         הערה: הנפח הכולל של דגימת מים שחוקרים יצטרכו לאסוף יהיו תלוי בגוף המים מקור.

3. זריעה והחל הכור

1. להוסיף 750 מיליליטר של תמיסת הזנה לכור. מלא את מיכל המיחזור עם 500 מיליליטר של תמיסת הזנה.
2. השתמש פיפטה ארוכה כדי להוסיף השעיה לחסן המכילה 1.5 גרם של אצות בחלקו התחתון של הכור בעדינות. לאפשר הבידוד ליישב לתחתית של הכור, להבטיח זאת על ידי תצפית ויזואלית, לפני שתמשיך לשלב הבא.
3. ברגע שהתאים התיישבו, להסיר את מהדק הצינור ולהפעיל משאבה לקצב זרימה איטית (10 revolutioדקות NS ^-1 / 38 מיליליטר דקות ^-1). האוויר שנלכד בצינור יגורש לכור.
   הערה: התוספת של 750 מיליליטר לכור תמנע כל ביומסה המופרעת על ידי המשאבה מלעזוב את הכור. לסחוט את צינורות כדי להבטיח שכל האוויר כבר גורש.
4. מוסיף בהדרגה פתרון הזנה למכל המיחזור כפתרון נשאב לתוך הכור. המשך בנוסף עד ששני הכור ומכל המיחזור הם ביכולת ומתחיל בשפכים כדי לצאת מטנק המיחזור דרך היציאה העליונה.
   הערה: הנפח של פתרון הזנה שיש להוסיף למכל המיחזור ישתנה עם הנפח של inoculant הוסיף לכור.
5. יוצקים את פתרון ההזנה שנותר למכל ההזנה.
6. הגדר את משאבת המיחזור (משאבה) ל -19 דקות מהפכות ^-1, הקמת קצב זרימת מחזור של 72.5 מיליליטר דקות ^-1. שים לב לאצות מתחילות לופט מהחלק התחתון של הכור. שימוש בדרגות בכור, לקבוע דו האצותגובה אזור omass. ודא כי הגובה קבוע לפני שתמשיך לשלב הבא.
7. הפעל את צלחת הערבוב במהירות נמוכה מאוד; הגדרה של 1 או 2 היא מתאימה כדי להתחיל. בר הערבוב יסייע בlofting ביומסה נוספת, אך ערבוב אגרסיווי יגרום אצות לעזוב את הכור, להיכנס לטנק המיחזור, ולהשאיר בשפכים. הגדר ערבוב מהיר בהגדרת צורך להקים גבול אצות ברור בתוך הכור (איור 2 א); האזור ביומסה אצות צריך להיות כ 10-15 סנטימטר בגובה.
8. התחל משאבת ההזנה לאחר התבוננות גבול ברור בין תקע האצות ונוזל הכור. הגדר את המשאבה ל -25 מהפכות דקות ^-1, הקמת קצב זרימה של 1.5 מיליליטר דקות ^-1. שים לב ליציאת כור נוזל יציאת שפכים בשל כוח הכבידה ועקירה שנגרם על ידי זרם influent הנכנס.

אוסף דוגמאות 4. וניתוח

1. לבצע פרי פעילות איסוף דגימהאו לביצוע תחזוקה במערכת הכור. לאסוף 20 מיליליטר של דגימות שפכים וinfluent יומיות. לאסוף דגימות שפכים מתוך טנק המיחזור. לאסוף דגימות influent ישירות ממכל ההזנה.
2. דגימות מסנן אבק כדי להסיר מוצקים מרחפות לפני אחסון וניתוח.
3. אחסן את influent ודגימות שפכים ב -20 ° C עד לניתוח נוסף. להגביל את מספר מחזורי הפשרת הקפאת דגימות נתון. במידת הצורך, ניתן לפצל דגימות לתוך aliquots כדי לשמור על שלמות מדגם.
4. לבצע ניתוח מדגם לחנק, ניטריט, ואמוניה באמצעות טכניקות סטנדרטי ^17.
   הערה: המחברים מנוצלים יון כרומטוגרפיה (IC) כדי לייצר את התוצאות שהוצגו במסמך זה. עיין בטבלת חומרים למפרט.

HDBR שימש לטפח אצות על פני כמה יחסים של ריכוזי האמוניה influent וחנק, תוך שמירה על תוכן חנקן כללי בהזנה ב 40 מ"ג -NL ^-1. Influent ודגימות שפכים נלקחו יומית; דגימות צפיפות ביומסה נלקחו בתחילת וסוף כל מצב. הכור לקח על 3-5 ימים בממוצע להגיע לשיווי משקל מצב יציב לאחר התנאים השתנו. על פני טווח רחב של מצבי influent אזור ביומסה נפרד הוקם, כפי שנצפה במחקרים קודמים (איור 2). התרבות של אצות בHDBR נמצאה להסיר ממוצע של 18.4% בסך הכל מיני חנקן בהזנה (n = 44). בתוך אזור יומסה, הכוללת צפיפות ביומסה וביומסה אצות היו עקבית במהלך מחקר זה.

הסרת ₄ ⁺ NH וNO ₃ ^- הם זממו נגד ₄ ⁺ NH וNO ₃ ^- Feהרכב אד באיור 3. מודל רגרסיה ליניארית פשוט שימש להערכת המשמעות של יחסים בין מיני הסרת N והרכב מזון ^18-20. הסרת האמוניה נצפתה בכל הטווחים של ₄ ⁺ NH ₃ ולא ^- הרכב (איור 3 א ואיור 3, בהתאמה). לא NH ₄ ⁺ ולא NO ₃ ^- הרכב מזון השפיע על הסרת ₄ ⁺ NH על התנאים שנבדקו (n = 44, p = .993 וn = 44, p = 0.610 בהתאמה). מצד השני, ההסרה של NO ₃ ^- נמצא כקשור באופן שלילי עם ₄ ⁺ הרכב מזון NH (n = 44, p = 0.000) (איור 3 ג) ומגוון חיובי עם NO ₃ ^- הרכב מזון (n = 44, p = 0.000) (איור 3D).

NO ₃ ^- נצפה לצבור (negatהסרת אייב) בתוך הכור לרוב יצירות influent (34 מתוך 44 דגימות). NO ₃ ^- ההסרה נצפתה רק כאשר ריכוזי ₄ ⁺ הזנת NH היו מתחת ל -10 מ"ג -NL ^-1 וNO ₃ ^- ריכוזי הזנה היו מעל -NL 15 מ"ג ^-1. חמצן, המתווסף לכור באמצעות אוורור בטנק המיחזור החיצוני ועל ידי האצות, יכול לשמש כמקבל אלקטרונים לחיידקים ammonia- והחמצון-ניטריט (AOB ונוב, בהתאמה). אם תנאים אירוביים לשלוט בכור באמצעות ספיקות גבוהות מחזור, חיידקים שעלולות לבצע dissimilatory דניטריפיקציה (heterotrophic) יעדיפו לנצל חמצן כמקבל אלקטרונים ^4. אם שיעור המס _'3 ^- ייצור וקלט מההזנה עולה המרת ההתבוללות של NO ₃ ^- לחנקן אורגני או דניטריפיקציה dissimilatory, ₃ NO ^- יכול accumulaטה בכור. הסרת ₄ ⁺ NH וההצטברות של NO ₃ ^- מצביעים על כך שAOB ונוב נמצא ופעילים בקהילה כאצות אינן ידועות לזרז את ההמרה של ₄ ⁺ NH ל NO ₃ ^-. תוצאות אלו מראות את היכולת להשתמש במערכת כור זה ללמוד דינמיקת שטף חנקן וקינטיקה בקהילת אצות בקטריאלי מעורבת.

המחברים שמרו בהצלחה קהילות אצות בריאה בHDBRs אלה במשך למעלה משנה. שתי קריסות כור, לעומת זאת, חלו מאז הקמתה של פרויקט זה, הן כתוצאה משינויים קשים בהרכב influent. הראשון היה התוצאה של שינוי ביחסי מין עם החנקן הכולל שטף החנקן נשמר קבוע; ⁺ NH ₄ הודח מההזנה וNO ₃ ^- ריכוזים הוגדלו כדי לפצות. ההתרסקות השנייה התרחשה כתוצאה מחיתוךז השטף הכולל החנקן ב -75 אחוזים, מ -40 מ"ג ל-NL ^-1 10 -NL מ"ג ^-1 (איור 4). בשני המקרים גבול אזור ביומסה המובהק נצפה להתדרדר במהלך יומיים-שלושה בד בבד עם עלייה חדה במוצקים המרחפים בשפכים (איור 4). מוצקים מרחפים בשפכים עלו למקסימום 6 ימים לאחר שינוי ההזנה כביומסה הכור איבד (איור 4). לאחר התרסקות המוצקים מרחפת בשפכים נשארו ^(-1 L SS על 0.22 גר ') גבוה ולא ביומסה החדשה נצפתה לצבור בתוך הכור, מניעת המשך הניסוי. העיצוב הנוכחי חסר מנגנון בטיחות לשמר תרבויות אם הם לא יישארו flocculated היטב.

איור 1. סכמטי של bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR) (לא tבקנה מידה טו). הכור (R) מורכב מ1,000 מיליליטר סיים גליל עם יציאות (עקיצות צינור, קוטר חיצוני 3/8 ") המותקנות ב100 מיליליטר ו1,000 מיליליטר רמות. כור נוזל רכב על אופניו בכור באמצעות משאבת peristaltic (הרשות הפלסטינית), שנכנס בחלק התחתון של הכור וזורם כלפי מעלה דרך אזור ביומסה (BZ) לכיוון הנמל העליון. יציאות נוזל הכור בנמל העליון ומופנה למכל המיחזור (RT) תחת כובד. RT מורכב מכוס זכוכית 600 מיליליטר;. זה שתי יציאות התקין, אחד הממוקם בתחתית של הכוס והאחרת בנוזל 500 מיליליטר סימן הכור חזר לכור דרך היציאה התחתונה (והרשות הפלסטינית) עלים שפכים. הכור דרך היציאה העליונה של RT ונאסף במכל פסולת (W). אוורור פעפוע מסופק בRT עם השימוש בaerator (). תהליך האוורור גם מניע ערבוב בתוך MV. Peristaltic משאבת B (PB) מספק influent מהזנת טנק המכיל / influent (FT) לRT. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. דוגמאות להפרדת נוזלים ביומסה / כור בתוך bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR). לוח מראה קהילת צפיפות גבוהה של אצות ^(-1 L SS 2.83 גר ') בתרבית בתוך HDBR. גבול ברור מתרחש כאשר מהירות יישוב קהילת החיידקים פוטוסינתטיים עולה על זו של נוזל הכור. הלוח ב 'מציג את מטריצת החיידקים שהוקמה על ידי בוצה משופעלת בתנאים שנדונו במחזור המכירות וShieh (2006) ^1. לוח ג מראה שמרים להיות מתורבתים בinfluent המורכבת של גלוקוז לייצור אתנול באמצעות תסיסה (תוצאות לא פורסמו). בכל שלוש תצורות כור אלה עיצוב כור הרומן יש eliminatאד צורך הבהרה נפרדת או תהליך התישבות במערכת הכור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

. איור 3 איור של ₄ ⁺ NH וNO ₃ ^-. שיעורי ההסרה לעומת הרכב influent ריכוז N influent סה"כ נשמר ב 40 מ"ג -NL ^-1 על משך המחקר. ₄ ⁺ ריכוז הזנה () NH זממו נגד הסרת NH ₄ ^+; לא הייתה השפעה משמעותית (n = 44, p = .993). NO ₃ (ב) ^- ריכוז הזנה זממו נגד הסרת NH ₄ ^+; לא הייתה השפעה משמעותית (n = 44, p = 0.610).(ג) לא ₃ ^- ההסרה נמצאה באופן משמעותי וקשר שלילי לNH ₄ ⁺ ריכוזי הזנה (n = 44, p = 0.000). (ד) לא ₃ ^- ההסרה הייתה באופן משמעותי וחיובי הקשורים לNO ₃ ^-. ריכוזי הזנה (n = 44, p = 0.000). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זה דְמוּת.

איור 4. מוצקים שפכים הגדלת מושעים בתגובה לירידה משמעותית שטף חנקן באמצעות הכור. תוכן חנקן influent היה ירד מ -NL 40 מ"ג ^-1 ל . 10 מ"ג -NL ^-1 (בזמן 0 בנתון זה, גם כונה על ידי הקו האנכי) הידרדרות של האזור ביומסה המובהק נצפתה לאחר 2 ימים; לאחר 3 ימי אובדן ביומסה היה לצפות בקלות. גידול משמעותי באס-אס בשפכים נצפה לאחר ימים לאחר השינוי נחקק וSS שפכים המרבי התרחש לאחר 6 ימים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. micrographs הדגשת מבנה floc נקבובי ושלובי חיידקים פילמנטיות. שני micrographs מציג את המבנה הנקבובי שהוקם על ידי חיידקי heterotrophic (בוצה משופעלת). חיידקי פילמנטיות לגשר על הרווח בין flocs, שלובים flocs לאזור ביומסה התייצב.href = היעד "https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

סעיף זה יתחיל בדיון על וריאציות פרוטוקול הדרושות כדי לטפל בבעיות תפעוליות אפשריות, כמו גם שימוש בקהילות חיידקים שונות. נקודות החוזק של עיצוב כור זה יידון, כולל היכולת למשול שליטה של ​​שטף חמצן ויצירת flocs צפיפות הגבוהה בתוך הכור. אתגרים נוכחיים ואפיקים אפשריים של חקירה יהיו גם ציינו.

הניואנסים פרוטוקול ווריאציות
הפעולה של HDBRs לטיפוח סוגים שונים של תרבויות של דורשת שינויים קלים בפרוטוקול תפעולי, בהתאם המינים תחת חקירה. יש צורך בערבוב והרחבת אזור ביומסה אצות מספיק כדי להגדיל את החשיפה של כל flocs להדליק ולאפשר פוטוסינתזה. השעיה של ביומסה אצות בתוך הכור היא מונעת על ידי שילוב של שיעור מחזור הכור ומהירות מוט ערבוב. יש להקפיד בבחירת מאפייני ההפעלהשל שניהם, כך שיש מרווח נאות בין אזור ביומסה אצות הפעיל ביולוגי והיציאה בחלק העליון של הכור, כמו כל ביומסה שמשאירה את הכור עלול ללכת לאיבוד בשפכים דרך היציאה העליונה של מיכל המיחזור. אם ביומסה הוא ציין שעזבה בשפכים, סינון יכול להיות מצויד ליציאה העליונה של מיכל המיחזור. התוספת של צמר זכוכית יכולה לשמש כמסנן. כמסנן מצטבר ביומסה זה צריך להיות שונה. אם נעשה שימוש במסנן, דגימות מוצקים מרחפות יש לנקוט מזרם של המסנן בנוסף לנוזל הכור בתוך טנק המיחזור על מנת לקבל את יתרת המסה הנכונה; ביומסה הצטברו במסנן חייבת להיות גם בחשבון. תחת כמה תנאי הפעלה עם אצות ושמרי אזור ביומסה לא תמיד מוביל לנוזל הבהיר, גם כאשר הקהילה היא בריאה. במקרים אלה יש השעיה לדלל של תאים בולטים מעל האזור ביומסה ובתוך טנק המיחזור. אנו hypothesizדואר שבקהילות האצות ושמרים שכבר טיפחו בHDBR עד כה אינו מכיל חיידקי פילמנטיות לאזור היציב, שלובים ביומסה כפי שניתן לראות בheterotrophic וניטריפיקציה / תרבויות חיידקי דניטריפיקציה (איור 5). לכן, אם המטרה היא למנוע מתאים לברוח בשפכים, כמו במקרה של אצות ושמרים, ייתכן שיהיה צורך להשתמש במכשיר קרום או סינון בנמל השפכים.

מקור בלתי צפוי של הפרעה ביומסה, אשר עלולים להשפיע באופן שלילי ההפרדה מוצק נוזל של HDBR, הוא ההצטברות של בועות בתוך קווי משאבת מחזור. בועות אלה הן תוצר של אוורור בטנק המיחזור. יש להקפיד לטהר באופן קבוע כל הצטברות של גזים בתוך צינורות. לסחוט את צינורות בכיוון של זרימת נוזל יהיה לזרז את התהליך הזה ומשמש גם כדי לסלק כל ביומסה שהופך קבועה לפנים של הצינור. כמו התאים בתרבויות אלה נוטים לצבור לflocs, גם יש להם נטייה כאשר שוחררו מאזור ביומסה לדבוק וליישב את הקירות של HDBR. לכן, אם חוקרים להבחין בהידבקות של ביומסה לקירות הפנימיים של מיכל הכור ומחזור, הם צריכים להשתמש בפיפטה או מברשת זכוכית מחוטאת להפריע ולמנוע צמיחת biofilm מוגזמת על הקירות של הכור.

הפרוטוקול שתואר לעיל יש לשנות כאשר מיקרואורגניזמים heterotrophic או ניטיריפיקציה / חיידקי denitrifying הם הקהילה של עניין. לדוגמא, 4 גרם של מיקרואורגניזמים heterotrophic (נמדד כVSS) שימש לזרע הכור, כפי שתואר על ידי מכירות וShieh ^1. כאשר לומד אמוניה וניטריט חיידקי חמצון, 2 גרם של AOB / NOB המועשר שימש כמתואר בNootong וShieh ² וRamanathan et al. ^4, והרחיב על בנספח לכתב היד כי ^21. הסכום של הבידוד המדויקכדי להפעיל את הכור יכול להשתנות ובאמת תלוי בכמות של הבידוד זמין מקור וההיקף האמיתי של הכור בשימוש. כדי למנוע הפרעה ביומסה, השימוש בבר ומערבבים הוא מיואש בעת שימוש בתרבויות יוצרי מחצלת אלה.

מניפולציה של מאפיינים הידראוליים
יתרון עיקרי של עיצוב HDBR הוא היכולת לשלוט בשיעורי ההזנה וזרימת מחזור בנפרד זו מזו. חוקרים יכולים למקד שיעורי טעינה ספציפיים, למחזר שיעורים, או למחזר את היחסים. לדוגמא, בעוד שביצועי כור לומדים ניצול בוצה מופעלים כדי להסיר COD משפכים סינטטיים, יחס המיחזור מגוון 3.5-21.5 ^1. מחקרים ראשוניים של כור ניצול ניטיריפיקציה אוטוטרופי / חיידקי denitrifying ציינו כי אזורים ביומסה יציבים יכולים להישמר תחת יחסי מחזור של 2.5-24.3 ^3. אומדנים אלה הוכיחו את עצמו כשמרני לא התעוררו כל בעיות כאשר הגדלת ra מחזורtios עד 43 במעקב מחקר ^21. היכולת לפעול ביחסי מחזור גבוהים, ושיעורי מחזור גבוהים ובכך, הוא שימושי לחקר ההשפעות של גזירת נוזל על היציבות ומאפיינים של האזור ביומסה. במקרים מסוימים, כגון טיפוח אצות, ההקמה ותחזוקה של מטריצת ביומסה היא לא דרישה ושיעורי מחזור גבוהים ויש צורך יחסים לסייע בהשעיה של טור האצות. עיצוב כור זה מסוגל להקל השעיה נעזרת בשיעורים גבוהים מחזור (49.3 במחקר זה), ובלבד שחוקרים הם מסוגלים לשמור על ממשק ביומסה / שפכים מובחנים בתוך הכור. במקרים בהם יחס המיחזור גבוה, המאפיינים הידראוליים הכור של מערכת HDBR כל מתנהגים יותר דומה לכורים לחלוטין מעורבים (CMFR) מאשר זרימת תקע כור (PFR), ובכך מאפשר לחוקר לבחון תרבויות על פני ספקטרום של הידראולי ערבוב מאפיינים במערכת אחת ספיקת המיחזורהסימפונית משחק תפקיד בשטף, העברת מסה, וההפצה של מיני גזים מומסים בכל הכור, כפי שיתואר להלן.

שליטה של O ₂ שטף ומסילוק גזים במכל המיחזור
בעוד לומד תהליכי ניטריפיקציה / דניטריפיקציה משולבות, ריכוזי חמצן מומסים נצפו להיות מדולדלים במהירות בחלקים הנמוכים ביותר של האזור ביומסה הפעיל כניטריפיקציה בוצעה ^2-4, במקביל מחקרי הסרת COD קודמים ^1; זה עשוי להציע שזרימת המשטר בתוך זרימת ביומסה דומה לזו של PFR ^1. עם אזור ביומסה העליון הופך anoxic, דניטריפיקציה בוצעה, וכתוצאה מכך הסרת החנקן מומס ^מ2,3 השפכים כור. תצפיות אלה הראו כי השילוב של אוורור חיצוני במכל המיחזור, בשילוב עם היכולת לשלוט שטף חמצן לטנק upflow, באמצעות מניפולציה של המיחזורשיעור, מאפשר למילויים של חמצן לפתח בתוך flocs ולאורכו של האזור ביומסה, המאפשר לאירובי, אנאירובי ותגובות anoxic להתרחש בטנק בודד. כתגובות רבות לטיפול ביולוגי תלויות או מעוכבות על ידי חמצן, כור זה מאפשר לדרך קלה יותר לשלוט שיעורים המוניים חמצן לbioreactors; אולי מה שמאפשר שיטות אוורור יעילים יותר. כאוורור הוא אחד מעלויות האנרגיה הגבוהות ביותר בטיפול בשפכים, זה יכול לשמש כדי להפחית את עלויות תפעול עבור עיריות ^22,23.

השליטה של ​​שטף חמצן באמצעות כור היא לא רק דאגה לחיידקים heterotrophic וchemoautotrophic. אנרגיית עירור עודף (EEE) היא אצות אנרגיית אור עודף תאים נחשפים, ותוצאות בחמצן (O ₂₎ מצטמצמת לסופראוקסיד (O ₂ ^-) עם אלקטרונים עודפים נדחקו מאני photosystem או השני (PSI וPSII) ^24. אניוני סופראוקסיד יכול לגרום משמעותיתt נזק פיסיולוגי במערכות אצות. מסגרת סלולרית קיימת כדי לאתר ולנטרל O ₂ ^- לפני נזק יכול להתרחש למרכיבים תאיים, אבל בתאים מאוד הדגישו מינים תגובתי חמצן (ROS) עדיין יכולים ליצור ^24-28. על ידי שליטה על שיעור המיחזור והאוורור בטנק המיחזור, חוקרים יוכלו לטפל בבעיות הנובעות מחמצן עודף והרעילות זה יכול לגרום בתרבויות אצות, ועשויים לשפר עוד יותר את הצמיחה של אצות בתרבויות צפופות מאוד, במיוחד במקרים שבו אור המשלים הוא להיות מסופק באמצעות מנורות.

היווצרות של flocs ו / או האזור ביומסה מובילה למאקרו המגוון ומיקרו-סביבות
אחד המאפיינים הייחודיים ביותר של עיצוב כור זה הוא החיסול של טנק הבהרה. אנו משערים כי ההפרדה מוצק הנוזל הטוב שמושגת בHDBRs ניתן לייחס גם להיווצרות flocs הצפוף ביותר (כלומר,מקרה עם אצות), או היווצרות של מטריצה ​​יציבה, נקבובית של flocs לובים ומיקרואורגניזמים ארוכי פילמנטיות (כלומר, עם ^1-4,7,16 (איור 5 heterotrophic וניטיריפיקציה / denitrifying תרבויות)). ההיווצרות והיציבות של flocs תלויה במספר פיזי, כימי וגורמים ביולוגיים ^7,13,29-31. למעשה, ההיווצרות של flocs היא המטרה העיקרית של סטארט-אפ ותלוי בערבוב מספיק (הדרגתיים כוח גזירה) כדי להגדיל את ההתנגשויות בין ^13,30 inoculant המושעה, אלא גם על הנוכחות של מיקרואורגניזמים flocculating היטב המייצרים תרכובות (flocculants ) המאפשרים לתאים כדי לצבור ^31,32. בכורים בקנה מידה מעבדה אלה, מצאנו כי ערבוב מספיק להפתתה ניתן להשיג גם על ידי פרופיל מהירות upflow או מכשיר ערבוב, כגון בר ומערבבים, הממוקם בחלק התחתון של הכור. לתרבויות הדורשות חמצן, טנק המיחזור החיצוני יכול בדואר משמש כמכל חיצוני העברת גז (או לאוורור או הפשטה של ​​גזים, למשל להסרת חמצן שנוצר בתגובות פוטוסינתזה). היתרון של אוורור חיצוני הוא שהוא מונע ערבוב עודף כמו גם בועות אוויר לבוא במגע עם flocs ולשבור אותם בנפרד. בחלק ממקרים, עם תרבויות heterotrophic וניטיריפיקציה / denitrifying שיצרו מטריצה ​​יציבה, נקבובית, כאשר בועות גז נמצאו להיכנס לכור שהם יכולים למצוא מתפרקים חלקים של המטריצה ​​או להפוך לרכבת בחלקים מסוימים במטריצה ​​שגרמו להם לצוף לראש הכור. לכן, פעולה של המכל החיצוני העברת גז כדי למנוע בועות כניסה לכור באמצעות קו המיחזור הוא מפתח לשמירה על הפרדה מוצקה נוזל טובה של המערכת.

כיווני HDBR פוטנציאל
מחקרים המעבדתיים כור, במיוחד אלה התמקדו בPBRs, לעתים קרובות מתמקדים לקראת איסוף הנתונים הקינטית למייקרו בפרטמיני bial או ^1,3,4,33,34 קהילה. מבחינה הסטורית מחקרים רבים נעשים על תרבויות אצות טופלו axenic או אנטיבקטריאלי למרות ראיות מצטברות של החשיבות של אינטראקציות בין interspecies אצות וחיידקי קהילות ^35,36. מחקרים של תרבויות מעורבות מבטיחים להניב מסקנות חדשות ותובנה על איך יחסי interspecies אלה לעבוד ^35-38. מחקרים שנעשה לאחרונה של תרבויות מעורבות הורחבו כדי לכלול ניתוח מדגם עם כלים ביולוגיה מולקולריים כגון תגובת שרשרת של פולימראז כמותיים (qPCR) לכמת שיעורי אצות והתפתחות חיידקי ^33,34. ניתוח metagenomic וmetatranscriptomic נעשה שימוש כדי להבהיר מידע נוסף על אופן שהאצות וחיידקים האינטראקציה בשתי מערכות אקולוגיות טבעיות והמהונדסות ^39,40. בנוסף לחקירות מולקולריות של תרבויות חיידקים בHDBRs, מחקרים מיקרוסקופי בוחנים את הגודל, מבנה וארגון של flocs ומטריצת ביולוגית הנקבובית שלאזור ביומסה היה לספק מידע רב ערך על יכולת HDBRs לקדם הפרדה מוצק נוזל טוב.

עד כה, מגוון קטן של כרכי כור ויחסי מחזור נחקר באמצעות עיצוב HDBR. ככזה, ביצועי כור ביישומים בקנה מידה גדולים אינם ידוע כרגע. כל אחת ממערכות הכור נבדקו הוא פחות מ 2 ליטר בנפח ומורכב מזכוכית. ככורים אלה הם לא את רכיבי המדף וחייבים להיות בנוי על ידי מומחה מעבדה זכוכית להגדיל את הגודל של כורי זכוכית עלול להיות קשה כמו חתיכות המוצא חייבת להיות שנבחרו בקפידה לעובי קיר מתאים (התכתבות פרטית: ק Carraro, 2014). כלי זכוכית גדולים גם פועל בסיכון גבוה יותר שבורה או פגום בהשוואה למתכת, פלסטיק, או כור בטון. בניית כורים גדולים עם מתכת או פלסטיק לניסויים המעבדתיים עשויה להיות אופציה, אבל את הכדאיות של אפשרות זו עדיין לא נחקרה. בנוסף tהוא משתמש בחומרים אטומים או שקופים עלולים לעכב תצפית ויזואלית של הכורים בחקירה ויסבך את פעולתם של כורים אלה בתצורת PBR.

כתב יד זה התווה את ההרכבה, הפעלה, ותהליכים תפעוליים לפעול bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR). עבודה קודמת הקימה יכולת HDBRs להסיר שני מיני חנקן באמצעות חיידקי heterotrophic וchemoautotrophic ^1-4 COD ו. כאן המחברים להדגים את היכולת של HDBRs לתרבות של קהילות אצות צפיפות גבוהה והסרת של מיני חנקן מזרמי פסולת סינטטיים. בעקבות תצפיות קודמות, אזור ביומסה יציב הוקם על ידי האצות, והפעלה מוצלחת של הכור בלי תהליך הבהרה הושג תוך הסרת 18.4% ממיני חנקן כלליים מinfluent. המרה בין מיני חנקן (NH ₄ ⁺ ל NO ₃ ^-) נצפה, ומאפשריםהמחברים להציע הנוכחות ופעילות של AOB ונוב. התוצאות שהוצגו בכתב היד הזה מההפגנה הנוכחית עם אצות ומחקרים קודמים באמצעות השימוש נוסף תמיכה במערכת HDBR, כמו גם המחקר ופיתוח, עיצוב כור זה לטיפוח צפיפות גבוה של מיקרואורגניזמים עבור מגוון רחב של יישומים סביבתיים ותעשייתיים.

The authors have nothing to disclose and declare that they have no competing financial interests.

The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.