Anaerobic digestion has many advantages over the more conventional aerobic treatment processes such as low levels of excess sludge production, low space (area) requirements, and the production of valuable biogas. The purpose of this study was to evaluate the effect of organic loading rate of anaerobic digestion on thermophilic($55^{\circ}C$) and mesophilic($35^{\circ}C$) conditions. Fluorescent in situ hybridization (FISH) method was also used to study the microbial community in the reactors. The stabilizing time in mesophilic anaerobic reactors was shorter as approximately 20 days than 40 days in the thermophilic anaerobic reactors. The amount of methane production rate in anaerobic reactors was independent of the concentrations of supplied substrates and the amount of methanogens. When the microbial diversity in the mesophilic and thermophilic reactors, which had been treated with acetate-based artificial wastewater, were compared, it was found that methanogenesis was carried out by microbial consortia consisting of bacteria and archaea such as methanogens. To investigate the activity of bacterial and archaeal populations in all anaerobic reactors, the amount of acetate was measured. Archaea were predominant in all reactors. Interestingly, Methanothrix-like methanogens appeared in mesophilic anaerobic reactors with high feed substrate concentrations, whereas it was not observed in thermophilic anaerobic reactors.
간헐폭기시스템에 혐기성 아키아 주입에 따른 질소제거율 변화와 슬러지 발생량변화 및 박테리아의 상관관계를 관찰하기 위해, 표준활성슬러지 공정과 아키아를 주입한 간헐폭기공정과 주입하지 않은 공정을 비교하며 운전하였다. 회분식 실험결과 혐기성 아키아 배양액을 간헐폭기조에 주입한 경우에 유기오염물질 분해율이 향상되었으며, 질산화와 탈질반응 속도가 증가하였다. 특히 표준활성슬러지 공정이나 일반 간헐폭기 시스템에 비해 슬러지 발생량이 매우 낮게 유지되었는데, 이는 혐기성 아키아가 주입됨에 따른 슬러지 생산량이 감소되었기 때문으로 판단된다. 또한, 폭기조에서 용존산소농도를 조절함으로써 혐기성 아키아와 활성슬러지의 공생관계에 따른 효율향상을 간접적으로 확인할 수 있었고 다음과 같은 결과를 얻었다. 1) 아키아 배양액을 주입한 간헐폭기조에서 비산소소비속도(SOUR)는 $2.9\;mg-O_2/(g-VSS{\cdot}min)$이었으며 비산소소비속도와 질산화 속도는 아키아 배양액을 주입하지 않은 반응조보다 높은 것으로 나타났다. 2) 아키아 배양액을 주입한 간헐폭기조, 주입하지 않은 간헐폭기조와 표준활성슬러지 공정에서의 유기물질($TCOD_{Cr}$)의 제거효율은 각각 93%, 90%와 87%이었다. 3) 각각의 반응조에서 모두 질산화 효율은 높았으나, 탈질속도는 아키아 배양액을 주입한 간헐폭기조에서 비교적 매우 높았다. 아키아 배양액을 주입한 간헐폭기조, 주입하지 않은 간헐폭기조와 표준활성슬러지 공정에서 질소제거효율은 각각 75%, 63%와 33%이었다.
High-solid anaerobic digestion of sewage sludge achieves highly efficient volatile solid reduction, and production of volatile fatty acid (VFA) and methane compared with conventional low-solid anaerobic digestion. In this study, the potential mechanisms of the better performance in high-solid anaerobic digestion of sewage sludge were investigated by using 454 high-throughput pyrosequencing and real-time PCR to analyze the microbial characteristics in sewage sludge fermentation reactors. The results obtained by 454 highthroughput pyrosequencing revealed that the phyla Chloroflexi, Bacteroidetes, and Firmicutes were the dominant functional microorganisms in high-solid and low-solid anaerobic systems. Meanwhile, the real-time PCR assays showed that high-solid anaerobic digestion significantly increased the number of total bacteria, which enhanced the hydrolysis and acidification of sewage sludge. Further study indicated that the number of total archaea (dominated by Methanosarcina) in a high-solid anaerobic fermentation reactor was also higher than that in a low-solid reactor, resulting in higher VFA consumption and methane production. Hence, the increased key bacteria and methanogenic archaea involved in sewage sludge hydrolysis, acidification, and methanogenesis resulted in the better performance of high-solid anaerobic sewage sludge fermentation.
열수구(Hydrothermal vent)는 빛이 없는 환경에서 생명체의 진화가 일어나는 독특한 환경을 유지하고 있다. 남태평양 Tonga의 Tofua arc의 열수구로부터 퇴적물을 채취하여 산화철[iron(III)], 황(elemental sulfur, $S^0$) 그리고 질산염을 전자수용체로 사용하고, 수소($H_2$), yeast extract를 전자공여체로 사용하여 배양에 의한 미생물의 다양성을 연구하였다. 배양 온도는 각각 $65^{\circ}C$와 $80^{\circ}C$였으며, 연속희석배양법과 16S rRNA 유전자의 PCR-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis를 분석하고, 검출된 염기서열의 정보분석을 통하여 고세균을 동정하였다. 16S rRNA 유전자의 계통분류학적 분석 결과 배양된 대부분의 고세균은 Thermococcus 속(T. alcaliphilius, T. litoralis, T. celer, T. barossii, T. thoreducens, T. coalescens)에 속하며 그들과 98-99%의 상동성을 가지고 있었다. Thermococcus 속의 미생물들이 일반적으로 이용할 수 없는 질산염과 산화철을 전자수용체로 첨가한 배양에서 관찰되었으나, 이는 환원제로 첨가한 $Na_2S$의 산화물을 이용하여 성장한 것으로 추정된다. Thermococcus 속에 속하는 고세균 외의 다양한 고세균의 배양을 위해서는 $Na_2S$ 대신 다른 환원제를 사용하는 배양조건의 이용이 요구된다.
Ziganshina, Elvira E.;Belostotskiy, Dmitry E.;Shushlyaev, Roman V.;Miluykov, Vasili A.;Vankov, Petr Y.;Ziganshin, Ayrat M.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제24권11호
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pp.1464-1472
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2014
The microbial community structures of two continuous stirred tank reactors digesting turkey manure with pine wood shavings as well as chicken and swine manure were investigated. The reactor fed with chicken/swine wastes displayed the highest organic acids concentration (up to 15.2 g/l) and ammonia concentration (up to 3.7 g/l ammonium nitrogen) and generated a higher biogas yield (up to $366ml/g_{VS}$) compared with the reactor supplied with turkey wastes (1.5-1.8 g/l of organic acids and 1.6-1.7 g/l of ammonium levels; biogas yield was up to $195ml/g_{VS}$). The microbial community diversity was assessed using both sequencing and profiling terminal restriction fragment length polymorphisms of 16S rRNA genes. Additionally, methanogens were analyzed using methyl coenzyme M reductase alpha subunit (mcrA) genes. The bacterial community was dominated by members of unclassified Clostridiales with the prevalence of specific clostridial phylotypes in each reactor, indicating the effect of the substrate type on the community structure. Of the methanogenic archaea, methanogens of the genus Methanosarcina were found in high proportions in both reactors with specific methanosarcinas in each reactor, whereas the strict hydrogenotrophic methanogens of Methanoculleus sp. were found at significant levels only in the reactor fed with chicken/swine manure (based on the analyses of 16S rRNA gene). This suggests that among methanogenic archaea, Methanosarcina species which have different metabolic capabilities, including aceticlastic and hydrogenotrophic methanogenesis, were mainly involved in anaerobic digestion of turkey wastes.
The diversity and distribution of methanogenic archaea in a four-compartment anaerobic baffled reactor (ABR) treating sugar refinery wastewater were investigated by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE). At an organic loading rate of 5.33 kg $COD/m^3{\cdot}day$, the ABR could perform steadily with the mean chemical oxygen demand (COD) removal of 94.8% and the specific $CH_4$ yield of 0.21 l/g $COD_{removed}$. The $CH_4$ content in the biogas was increased along the compartments, whereas the percentage of $H_2$ was decreased, indicating the distribution characteristics of the methanogens occurred longitudinally down the ABR. A high phylogenetic and ecological diversity of methanogens was found in the ABR, and all the detected methanogens were classified into six groups, including Methanomicrobiales, Methanosarcinales, Methanobacteriales, Crenarchaeota, Arc I, and Unidentified. Among the methanogenic population, the acid-tolerant hydrogenotrophic methanogens including Methanoregula and Methanosphaerula dominated the first two compartments. In the last two compartments, the dominant methanogenic population was Methanosaeta, which was the major acetate oxidizer under methanogenic conditions and could promote the formation of granular sludge. The distribution of the hydrogenotrophic (acid-tolerant) and acetotrophic methanogens in sequence along the compartments allowed the ABR to perform more efficiently and steadily.
대부분의 호염성 고세균은 고염환경으로 알려진 천일염전(solar saltern), 염호수(salt lake)를 비롯한 다양한 환경에서 서식하고 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는, 한국의 대표적인 고염환경으로부터 분리배양을 통하여 호염성 고세균의 특성 분석을 실시하였다. 호염성 미생물들을 분리하기 위하여, 고염배지를 제작하고, 총 7개의 순수 배양체를 확보하였다. 분리된 호염성 미생물들의 16S rRNA 유전자 서열에 대한 계통학 및 상동성 분석을 실시하여 Halorubrum 속의 미생물 4종, Halogeometricum 속의 미생물 1종, Halobacterium 속의 미생물 1종, Haloarcula 속의 미생물 1종을 각각 확보 할 수 있었다. 이들 호염성 고세균들은 모두 그람 음성균이며, nitrate를 전자수용체로 사용한 혐기적 조건에서 성장이 관찰되지 않았다. 또한, 분리된 모든 미생물들은 12-30% (w/v, NaCl) 염분을 필요로 하였다. 본 연구는 국내의 호염환경으로 부터 호염성미생물의 분리기술 및 관련 연구에 대한 기초적 정보를 제공하며, 국내의 다양한 극한환경에서 서식하는 미생물 배양체 확보를 통하여 국내 생물자원 확보에 기여할 것으로 기대한다.
혐기성 소화는 음식물 쓰레기와 같은 폐기물로부터 재생 가능한 에너지원으로 메탄을 생성하는 공정이다. 본 연구에서는 음식물 쓰레기와 폐수를 동시에 처리하는 3단계 메탄생산 공정을 이용한 혐기성 소화공정의 bacteria와 archaea 군집 변화를 조사하였다. 3단계 메탄생산 공정은 음식물 쓰레기 및 폐수를 메탄과 이산화탄소로 전환하는 반혐기성 가수분해/산생성, 혐기성 산생성과 혐기성 메탄생성조로 구성되어있으며, 16 rRNA 유전자 라이브러리의 염기서열 분석과 정량 PCR 등의 분자생물학적 방법으로 주요 미생물 군집을 조사하였다. 메탄생산 공정의 주요 미생물 군집은 VFA-산화 박테리아와 Methanoculleus 속에 속하는 hydrogenotrophic methanogen의 두 종(species)이었다. 또한, 소수의 Picrophilaceae 과(Thermoplasmatales 목)의 archaea도 확인하였다. 음식물을 이용한 3단계 메탄생산 공정은 acetogenesis를 기반으로 하는 고전적 메탄생성 공정과 달리 주로 hydrogenotrophic methanogen의 분해 경로에 의해 이루어 짐을 알 수 있다. 이들 균주의 우점은 중온 소화공정, 중성 pH, 높은 암모니아 농도, 짧은 HRT, Tepidanaerobacter 속 등과 같은 VFA 산화세균과의 상호작용 등에서 기인한 것으로 생각된다.
The overall goal of this study was to characterize and quantify ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in four different full-scale sequence batch reactor (SBR) wastewater treatment plants. Also, this study focused on assessing the occurrence of the alternative ammonia-oxidizing microbes such as anammox (anaerobic ammonia oxidation) bacteria (AMX) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) in these systems. Based on total AOB numbers and the estimated cell density in the mixed liquor samples, AOB constituted 0.3 - 1.8% of the total bacterial population in the four WWTPs. Based on clone library, Nitrosomonas ureae-like AOB were dominant in plant A and B, while plant C and D had Nitrosomonas nitrosa-like AOB as major AOB group. The four different AMX primer sets targeting AMX 16S rRNA gene produced PCR amplicons distantly related to Chlamydia and Planctomycetales group bacteria. However, it was not clear these groups of bacteria perform anammox reaction in the SBR plants. Also, molecular evidence of AOA was found in one of the SBR plants, with a sequence located in the deep branch of the sediment creanarchaeota group.
It is vital to understand the changing characteristics of interphase microbial communities and interspecies synergism during the fermentation of Chinese liquors. In this study, microbial communities in the three indispensable phases (pit mud, zaopei, and huangshui) of Luzhou-flavored liquor manufacturing pits and their shifts during cellars use were first investigated by polyphasic culture-independent approaches. The archaeal and eubacterial communities in the three phases were quantitatively assessed by combined phospholipid ether lipids/phospholipid fatty acid analysis and fluorescence in situ hybridization. In addition, qualitative information regarding the microbial community was analyzed by PCR-denaturing gradient gel electrophoresis. Results suggested that the interphase microbial community profiles were quite different, and the proportions of specific microbial groups evolved gradually. Anaerobic bacteria and gram-positive bacteria were dominant and their numbers were higher in pit mud ($10^9$ cells/g) than in huangshui ($10^7$ cells/ml) and zaopei ($10^7$ cells/g). Hydrogenotrophic methanogenic archaea were the dominant archaea, and their proportions were virtually unchanged in pit mud (around 65%), whereas they first increased and then decreased in zaopei (59%-82%-47%) and increased with pit age in huangshui (82%-92%). Interactions between microbial communities, especially between eubacteria and methanogens, played a key role in the formation of favorable niches for liquor fermentation. Furthermore, daqu (an essential saccharifying and fermentative agent) and metabolic regulation parameters greatly affected the microbial community.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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