International journal of advanced smart convergence
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v.5
no.2
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pp.18-23
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2016
Cell walls of microalgae consist of a polysaccharide and glycoprotein matrix providing the cells with a formidable defense against its environment. Anaerobic digestion (AD) of microalgae is primarily inhibited by the chemical composition of their cell walls containing biopolymers able to resist bacterial degradation. Adoption of pre-treatments such as thermal, thermal hydrolysis, ultrasound and enzymatic hydrolysis have the potential to remove these inhibitory compounds and enhance biogas yields by degrading the cell wall, and releasing the intracellular algogenic organic matter (AOM). This paper preproposal stage investigated the effect of different pre-treatments on microalgae cell wall, and their impact on the quantity of soluble biomass released in the media and thus on the digestion process yields. This Paper present optimum approach to degradation of the cell wall by ultra-sonication with practical design specification parameter for ultrasound based pretreatment system. As a result of this paper presents, a microalgae system in a wastewater treatment flowsheet for residual nutrient uptake can be justified by processing the waste biomass for energy recovery. As a conclusion on this result, Low energy harvesting technologies and pre-treatment of the algal biomass are required to improve the overall energy balance of this integrated system.
Although chemical oxygen demand (COD) is an important issue for wastewater treatment, COD reduction with microalgae has been less studied compared to nitrogen or phosphorus removal. COD removal is not efficient in conventional wastewater treatment using microalgae, because the algae release organic compounds, thereby finally increasing the COD level. This study focused on enhancing COD removal and meeting the effluent standard for discharge by optimizing sludge inoculation timing, which was an important factor in forming a desirable algae/bacteria consortium for more efficient COD removal and higher biomass productivity. Activated sludge has been added to reduce COD in many studies, but its inoculation was done at the start of cultivation. However, when the sludge was added after 3 days of cultivation, at which point the COD concentration started to increase again, the algal growth and biomass productivity were higher than those of the initial sludge inoculation and control (without sludge). Algal and bacterial cell numbers measured by qPCR were also higher with sludge inoculation at 3 days later. In a semi-continuous cultivation system, a hydraulic retention time of 5 days with sludge inoculation resulted in the highest biomass productivity and N/P removal. This study achieved a further improved COD removal than the conventional microalgal wastewater treatment, by introducing bacteria in activated sludge at optimized timing.
Rhodospirillum rubrum P17 was used to investigate the pontential for the treatment of soybean curd waste and for the utilization of the biomass produced. The maximal biomass production and COD removal from the waste water were obtained at 30C, pH 7.0 under 2,500lux production and 50 rpm of agitation. The initial COD level of the soybean curd waste water was 3,240mg/l, and after 4 days of cultivation in batch culture, 3.46g/l of cells was obtained and COD level of the waste water reduced to 150mg/l (COD removal rate 95.4%).
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.34
no.8
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pp.533-540
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2012
The concentration of organic compounds was analyzed at each step of BAC (biological activated carbon) process though BDOC (biodegradable dissolved organic carbon) total/rapid/slow. Further, bacteria communities and biomass concentrations measured DGGE (denaturing gradirnt gel electrophoresis) and ATP (adenosine triphosphate) methods were analyzed. The bed volume of steady state is different based on assessment of organic compounds removal. Bed volumes at steady state in DOC, $BDOC_{rapid}$ and $BDOC_{total/slow}$ removal were around 27,500, 15,000 and 32,000, respectively. A biomass didn't change after the bed volume reached 22,500 according to analyzing HPC (heterotrophic plate count) and ATP concentration of bacteria. The concentration of HPC and ATP were $3.3{\times}10^8$ cells/g and $2.14{\mu}g/g$, respectively. The number of the DGGE band were only 5 at the bed volume 8,916, but increased up to 11 at the bed volume 49,632. As operation time increase, bacterial group were more diversity. Four bacteria species including Pseudomonas fluorescens, the uncultured bacterium similar to Acinetobacteria, uncultured Novosphingobium sp. and Flavobacterium frigidarium have detected from the early stages and Proteobacteria group were dominantly detected.
Classical methods which used for removal of heavy metals from contaminated water are adsorption, precipitation, coagulation, ion exchange resin, evaporation, and membrane processes. Microbial biosorption can be used for the removal of contaminated waters with pollutants such as heavy metals and dyes which are not easily biodegradable. Microbial biosorbents are inexpensive, eco friendly and more effective for the removal of toxic metals from aqueous solution. In this review, the bacterial and fungal abilities for heavy metals ions removal are emphasized. Environmental factors which affect biosorption process are also discussed. A detailed description for the most common isotherm and kinetic models are presented. This article reviews the achievements and the current status of bacterial and fungal biosorption technology for heavy metals removal and provides insights for further researches.
Among rumen microbes, bacteria play important roles in the biological degradation of plant fiber due to their large biomass and high activity. To maximize the utilization of fiber components such as cellulose and hemicellulose by ruminant animals, the ecology and functions of rumen bacteria should be understood in detail. Recent genome sequencing analyses of representative fibrolytic bacterial species revealed that the number and variety of enzymes for plant fiber digestion clearly differ between Fibrobacter succinogenes and Ruminococcus flavefaciens. Therefore, the mechanism of plant fiber digestion is also thought to differ between these two species. Ecology of individual fibrolytic bacterial species has been investigated using pure cultures and electron microscopy. Recent advances in molecular biology techniques complement the disadvantages of conventional techniques and allow accurate evaluation of the ecology of specific bacteria in mixed culture, even in situ and in vivo. Molecular monitoring of fibrolytic bacterial species in the rumen indicated the predominance of F. succinogenes. Nutritive interactions between fibrolytic and non-fibrolytic bacteria are important in maintaining and promoting fibrolytic activity, mainly in terms of crossfeeding of metabolites. Recent 16S rDNA-based analyses suggest that presently recognized fibrolytic species such as F. succinogenes and two Ruminococcus species with fibrolytic activity may represent only a small proportion of the total fibrolytic population and that uncultured bacteria may be responsible for fiber digestion in the rumen. Therefore, characterization of these unidentified bacteria is important to fully understand the physiology and ecology of fiber digestion. To achieve this, a combination of conventional and modern techniques could be useful.
The long-term effects of soil management history on microbial communities are still poorly understood. Our objectives were to determine the impact of long-term application of soil amendments on microbial communities in rice paddy fields. The treatments selected were control where crops were grown without any nutrient application (CON); nitrogen-phosphorus-potassium (NPK); NPK plus compost (CNPK); NPK plus lime (LNPK); and NPK plus silicate (WNPK). The long-term addition of organic and inorganic amendments significantly changed soil chemical properties. The amount of organic carbon increased in the treatments with fertilizer and amendments over that in the soil without inputs. However, we could not observe the differences of bacterial population among the treatments, but the number of aerobic bacteria increased by the addition of amendments. Isolates from the rice paddy soils before irrigation were Dactylosporangium, Ewingella, Geobacillus, Kocuria, Kurthia, Kytococcus, Lechevalieria, Micrococcus, Micromonospora, Paenibacillus, Pedobacter, Pseudomonas, Pseudoxanthomonas, Rhodococcus, Rothia, Sphingopyxis, Stenotrophomonas, and Variovorax. Dominant genera were Arthrobacter, Kocuria, Kurthia, and Bacillus in the long-term field. Microbial biomass was the highest in the compost treatment (CNPK), and was the lowest in the CON. Dehydrogenase activity in soils treated with rice compost straw was the highest and the activity showed an increasing trend according to treatment as follows: CON < WNPK < NPK = LNPK < CNPK. These results demonstrate that soil management practice, such as optimal application of fertilizer and amendment, that result in accumulations of organic carbon may increase microbial biomass and dehydrogenase activity in long-term rice paddy soils.
Process surveillance within agricultural biogas plants (BGPs) was concurrently studied by high-throughput 16S rRNA gene amplicon sequencing and an optimized quantitative microscopic fingerprinting (QMF) technique. In contrast to 16S rRNA gene amplicons, digitalized microscopy is a rapid and cost-effective method that facilitates enumeration and morphological differentiation of the most significant groups of methanogens regarding their shape and characteristic autofluorescent factor 420. Moreover, the fluorescence signal mirrors cell vitality. In this study, four different BGPs were investigated. The results indicated stable process performance in the mesophilic BGPs and in the thermophilic reactor. Bacterial subcommunity characterization revealed significant differences between the four BGPs. Most remarkably, the genera Defluviitoga and Halocella dominated the thermophilic bacterial subcommunity, whereas members of another taxon, Syntrophaceticus, were found to be abundant in the mesophilic BGP. The domain Archaea was dominated by the genus Methanoculleus in all four BGPs, followed by Methanosaeta in BGP1 and BGP3. In contrast, Methanothermobacter members were highly abundant in the thermophilic BGP4. Furthermore, a high consistency between the sequencing approach and the QMF method was shown, especially for the thermophilic BGP. The differences elucidated that using this biphasic approach for mesophilic BGPs provided novel insights regarding disaggregated single cells of Methanosarcina and Methanosaeta species. Both dominated the archaeal subcommunity and replaced coccoid Methanoculleus members belonging to the same group of Methanomicrobiales that have been frequently observed in similar BGPs. This work demonstrates that combining QMF and 16S rRNA gene amplicon sequencing is a complementary strategy to describe archaeal community structures within biogas processes.
Bacterial growth and corresponding consumption of carbon and phosphorus were examined in which tap water samples containing a very low concentration of free chlorine were supplemented with organic carbon and/or phosphorus. The experiments were performed in a fed-batch mode under a controlled temperature of $20^{\circ}C$. In the phosphorus alone-added water, there was no significant increase in bacterial numbers measured as heterotrophic plate count (HPC) in the bulk water. However, bacterial growth was stimulated by the addition of carbon (e.g., bulk HPC levels increased to $10^3CFU/mL$) and further stimulated by the combined addition of carbon and phosphorus (e.g., bulk HPC to $10^5CFU/mL$). The same effects were observed in biofilm HPC and biomass formed on polyethylene (PE) slide surfaces. In the water where organic carbon and phosphorus were added together, the highest biofilm HPC and biomass (measured as extracellular polymeric substance components) densities were observed which were $7.6{\times}10^5CFU/cm^2$ and $5.3{\mu}g/cm^2$, respectively. In addition to the bacterial growth, additions of organic carbon and/or phosphorus resulted in different bacterial carbon-to-phosphorus (C/P) consumption ratios. Compared to a typical bacterial C/P consumption ratio of 100:1, a higher C/P ratio (590:1) occurred in the carbon alone-added water, while a lower ratio (40:1) in phosphorus alone-added water. Comparative value (80:1) of C/P ratio was also observed in the water where organic carbon and phosphorus were added together. At the given experimental conditions, bacterial growth was deemed to be more sensitive to microbially available organic carbon than phosphorus. The effect of phosphorus addition, which resulted in a lower C/P consumption ratio, seemed to be tightly associated with the presence of microbially available organic carbon. These results suggested that the control of extrinsic carbon influx seemed to be more important to minimize bacterial regrowth in drinking water system, since even low content of phosphorus naturally occurring in drinking water was enough to allow a bacterial growth.
Atmospheric aerosol deposition caused by Asian dust (KOSA) events provide nutrients, trace metals, and organic compounds over the Pacific Ocean that enhance ocean productivity and carbon sequestration and, thus, influence the atmospheric carbon dioxide concentrations and climate. Using dust particles obtained from the snow layers on Mt. Tateyama and the surface sand of Loess Plateau in incubation experiments with natural seawater samples on a shipboard, we demonstrate that dust-particle additions enhanced the bacterial growth on the first day of incubation. Gram-positive bacterial group and alpha-proteobacteria were specifically detected form seawater samples including the mineral particles. Although the remarkable dynamics of trace elements and nutrients depend on dust-particle additions, it is possible that organic compounds present in the mineral particles or transported microbial cells could also contribute to an increase in the quantities of bacteria. The chlorophyll concentrations at fractions of every size indicated a similar pattern of change between the seawater samples with and without the dust-particle additions. In contrast, the chlorophyll measurement using submersible fluorometer revealed that the dynamics of phytoplankton composition were influenced by the dust-particles treatments. We conclude that the phytoplankton that uses the bacterial products would increase their biomass. We show that KOSA deposition can potentially alter the structures of bacterial communities and indirectly influence the patterns of marine primary production in the Pacific Ocean.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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