Bolten, Christoph J.;Heinzle, Elmar;Muller, Rolf;Wittmann, Christoph
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.19
no.1
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pp.23-36
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2009
In the present work, the metabolic network of primary metabolism of the slow-growing myxobacterium Sorangium cellulosum was reconstructed from the annotated genome sequence of the type strain So ce56. During growth on glucose as the carbon source and asparagine as the nitrogen source, So ce56 showed a very low growth rate of $0.23\;d^{-1}$, equivalent to a doubling time of 3 days. Based on a complete stoichiometric and isotopomer model of the central metabolism, $^{13}C$ metabolic flux analysis was carried out for growth with glucose as carbon and asparagine as nitrogen sources. Normalized to the uptake flux for glucose (100%), cells recruited glycolysis (51%) and the pentose phosphate pathway (48%) as major catabolic pathways. The Entner-Doudoroff pathway and glyoxylate shunt were not active. A high flux through the TCA cycle (118%) enabled a strong formation of ATP, but cells revealed a rather low yield for biomass. Inspection of fluxes linked to energy metabolism revealed that S. cellulosum utilized only 10% of the ATP formed for growth, whereas 90% is required for maintenance. This explains the apparent discrepancy between the relatively low biomass yield and the high flux through the energy-delivering TCA cycle. The total flux of NADPH supply (216%) was higher than the demand for anabolism (156%), indicating additional reactions for balancing of NADPH. The cells further exhibited a highly active metabolic cycle, interconverting $C_3$ and $C_4$ metabolites of glycolysis and the TCA cycle. The present work provides the first insight into fluxes of the primary metabolism of myxobacteria, especially for future investigation on the supply of cofactors, building blocks, and energy in myxobacteria, producing natural compounds of biotechnological interest.
Background: Large-scale land-use change is being caused by various socioeconomic problems. Land-use change is necessarily accompanied by changes in the regional carbon balance in terrestrial ecosystems and affects climate change. Therefore, it is crucial to understand the correlation between environmental factors altered by land-use change and the carbon balance. To address this issue, we studied the characteristics of soil carbon flux and soil moisture content related to rainfall events in mountain pastures converted from deciduous forest in Korea. Results: The average soil moisture contents (SMC) during the study period were 23.1% in the soil respiration (SR) plot and 25.2% in the heterotrophic respiration (HR) plot. The average SMC was increased to 2.1 and 1.1% in the SR and HR plots after rainfall events, respectively. In addition, saturated water content was 29.36% in this grassland. The soil water content was saturated under the consistent rainfall of more than $5mm\;h^{-1}$ rather than short-term heavy rainfall event. The average SR was increased to 28.4% after a rainfall event, but the average HR was decreased to 70. 1%. The correlation between soil carbon flux rates and rainfall was lower than other environmental factors. The correlation between SMC and soil carbon flux rates was low. However, HR exhibited a tendency to be decreased when SMC was 24.5%. In addition, the correlation between soil temperature and respiration rate was significant. Conclusions: In a mountain pasture ecosystem, rainfall induced the important change of soil moisture content related to respiration in soil. SR and HR were very sensitive to change of SMC in soil surface layer about 0-10-cm depth. SR was increased by elevation of SMC due to a rainfall event, and the result was assumed from maintaining moderate soil moisture content for respiration in microorganism and plant root. However, HR was decreased in long-time saturated condition of soil moisture content. Root has obviously contributed to high respiration in heavy rainfall, but it was affected to quick depression in respiration under low rainfall. The difference of SMC due to rainfall event was causative of a highly fluctuated soil respiration rate in the same soil temperature condition. Therefore, rainfall factor or SMC are to be considered in predicting the soil carbon flux of grassland ecosystems for future climate change.
This study investigates bacteria-zooplankton grazing link and factors affecting their grazing relationship at trophically different two sites (Paldang Dam and Kyungan Stream) of Lake Paldang Ecosystem from April to December, 2005. Zooplankton were divided into two size groups; microzooplankton (MICZ) : 60-200 ${\mu}m$ and macrozooplankton (MACZ): >200 ${\mu}m$), and their grazing rates on bacteria were conducted for each size group separately. Bacterial abundance and seasonal change pattern were similar between two sites. MICZ, mostly rotifers (e.g., Brachionus, Keratella, Polyathra) were numerically dominant at both sites, while carbon biomass was highest in cladocerans. Zooplankton biomass was higher at the Kyungan Steam site compared to Paldang Dam site, and their high biomass during spring decreased as they were passing through the storm events in summer season at both sites. Zooplankton clearance rate (CR) was high in spring and autumn while low in summer at Paldang Dam site. However, zooplankton CR was high during the summer at Kyungan Stream site. Bacterial C-flux was high in spring and autumn when MACZ (esp. cladecerans) developed at a high biomass level at both sites. Overall, MACZ community CR and carbon flux (C-flux) were higher than those of MICZ, and the degree of difference between them was higher at Kyungan Stream site. Short hydraulic residence time and physical disturbance caused by summer storm event appeared to affect the zooplankton grazing on bacteria at both sites. The results of this study indicate that bacteria are potentially important carbon source of zooplankton, and that both biotic (e.g,, prey and predator taxa composition and abundance) and physical parameters appear to alter energy transfer in the planktonic food web of this river-reservoir hybrid system.
For the newly isolated $H_2$-producing chemoheterotrophic bacterium Citrobacter amalonaticus Y19, anaerobic glucose metabolism was studied in batch cultivation at varying initial glucose concentrations (3.5-9.5 g/l). The carbon-mass and energy balances were determined and utilized to analyze the carbon metabolic-pathways network. The analyses revealed (a) variable production of major metabolites ($H_2$, ethanol, acetate, lactate, $CO_2$, and cell mass) depending on initial glucose levels; (b) influence of NADH regeneration on the production of acetate, lactate, and ethanol; and (c) influence of the molar production of ATP on the production of biomass. The results reported in this paper suggest how the carbon metabolic pathway(s) should be designed for optimal Hz production, especially at high glucose concentrations, such as by blocking the carbon flux via lactate dehydrogenase from the pyruvate node.
A bench-scale anoxic membrane bioreactor (MBR) system, consisting of a bioreactor coupled to a ceramic crossflow ultrafiltration module, was evaluated to treat a synthetic wastewater containing alkaline hydrolysis byproducts (hydrolysates) of RDX, The wastewater was formulated the same as RDX hydrolysates, and consisted of acetate, formate, formaldehyde as carbon sources and nitrite, nitrate as electron accepters. The MBR system removed 80 to 90% of these carbon sources, and approximately 90% of the stoichiometric amount of nitrate, 60% of nitrite. The reactor was also operated over a range of transmembrane pressures, temperatures, suspended solids concentration, and organic loading rate in order to maximize treatment efficiency and permeate flux. Increasing transmembrane pressure and temperature did not improve membrane flux significantly. Increasing biomass concentration in the bioreactor decreased the permeate flux significantly. The maximum volumetric organic loading rate was $0.72kg\;COD/m^3/day$, and the maximum F/M ratio was 0.50 kg N/kg MLSS/day and 1.82 kg COD/kg MLSS/day. Membrane permeate was clear and essentially free of bacteria, as indicated by heterotrophic plate count. Permeate flux ranged between 0.15 and $2.0m^3/m^2/day$ and was maintained by routine backwashing every 3 to 4 day. Backwashing with 2% NaOCl solution every fourth or fifth backwashing cycle was able to restore membrane flux to its original value.
Inyoung Jang;Heon Mo Jeong;Sang-Hak Han;Na-Hyun Ahn;Dukyeop Kim;Sung-Ryong Kang
Journal of Wetlands Research
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v.25
no.4
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pp.417-425
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2023
As climate change gets severe, the ecosystem acts as an important carbon sink, therefore efforts are being made to utilize these functions to mitigate climate change. In this study, we inventoried and analyzed the previous studies related to carbon storage and flux by ecosystem type (forest, cropland, wetland, grassland, and settlement) and carbon pool (aboveground and belowground biomass, dead wood, Litter, soil organic carbon, and ecosystem) in Korean ecosystems. We also collected the results of previous studies and calculated the average value of carbon storage and flux for each ecosystem type and carbon pool. As a result, we found that most (66%) of Korea's carbon storage and fluxes studies were conducted in forests. Based on the results of forest studies, we estimated the storage by carbon stock. We found that much carbon is stored in vegetation (aboveground: 4,018.32 gC m-2 and belowground biomass: 4,095.63 gC m-2) and soil (4,159.43 gC m-2). In particular, a large amount of carbon is stored in the forest understory. For other ecosystem types, it was impossible to determine each carbon pool's storage and flux due to data limitations. However, in the case of soil organic carbon storage, the data for forests and grasslands were comparable, showing that both ecosystems store relatively similar amounts of carbon (4,159.43 gC m-2, 4,023.23 gC m-2, respectively). This study confirms the need to study carbon in rather diverse ecosystem types.
Kim, Ju-Hyoung;Kang, Eun Ju;Kim, Keunyong;Jeong, Hae Jin;Lee, Kitack;Edwards, Matthew S.;Park, Myung Gil;Lee, Byeong-Gweon;Kim, Kwang Young
ALGAE
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v.30
no.2
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pp.121-137
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2015
Studies on carbon flux in the oceans have been highlighted in recent years due to increasing awareness about climate change, but the coastal ecosystem remains one of the unexplored fields in this regard. In this study, the dynamics of carbon flux in a vegetative coastal ecosystem were examined by an evaluation of net and gross ecosystem production (NEP and GEP) and $CO_2$ exchange rates (net ecosystem exchange, NEE). To estimate NEP and GEP, community production and respiration were measured along different habitat types (eelgrass and macroalgal beds, shallow and deep sedimentary, and deep rocky shore) at Gwangyang Bay, Korea from 20 June to 20 July 2007. Vegetative areas showed significantly higher ecosystem production than the other habitat types. Specifically, eelgrass beds had the highest daily GEP ($6.97{\pm}0.02g\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$), with a large amount of biomass and high productivity of eelgrass, whereas the outer macroalgal vegetation had the lowest GEP ($0.97{\pm}0.04g\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$). In addition, macroalgal vegetation showed the highest daily NEP ($3.31{\pm}0.45g\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$) due to its highest P : R ratio (2.33). Furthermore, the eelgrass beds acted as a $CO_2$ sink through the air-seawater interface according to NEE data, with a carbon sink rate of $0.63mg\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$. Overall, ecosystem production was found to be extremely high in the vegetated systems (eelgrass and macroalgal beds), which occupy a relatively small area compared to the unvegetated systems according to our conceptual diagram of a carbon-flux box model. These results indicate that the vegetative ecosystems showed significantly high capturing efficiency of inorganic carbon through coastal primary production.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.8
no.1
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pp.81-84
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2004
A water-cooled calorimeter chamber with 8 cooling channels based on KSR-III sub-scale chamber has been designed and manufactured. One dimensional empirical correlation has been used at the design stage and full three-dimensional CFD analysis has been conducted to confirm the cooling condition for hot fire test is safe. Predicted heat flux is accurate around the nozzle throat when the thermal resistance of carbon deposit is considered. However relatively large difference is observed in chamber part.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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v.14
no.1
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pp.19-27
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2006
The characteristics of heat transfer and pressure drop have been investigated experimentally during gas-cooling process of carbon dioxide. The results of this study are useful information in the design of a heat exchanger of $CO_2$ refrigerator. The test section consists of 6 series of copper tube, 4.15 and 2.18mm ID, respectively. The inlet temperature, the operating pressure, and the mass flux are varied in the range of $80{\sim}120^{\circ}C,\;{7\sim}10MPa,\;and\;400{\sim}1,900kg/m^2s$, respectively. The heat transfer coefficient of $CO_2$ is affected by temperature, inlet pressure, and mass flux of $CO_2$. At the maximum HTC, the temperature of $CO_2$ nearly accords with the psuedocritical temperature. It is found that the pressure drop is substantially affected by mass flux and inlet pressure of $CO_2$ . The results have been compared with those of previous work. The heat transfer correlation at the gas-cooling process has been also suggested which predicts within the error of 20%.
Lipids in microalgae are energy-rich compounds and considered as an attractive feedstock for biodiesel production. To redirect carbon flux from competing pathways to the fatty acid synthesis pathway of Tetraselmis sp., we used three types of chemical inhibitors that can block the starch synthesis pathway or photorespiration, under nitrogen-sufficient and nitrogen-deficient conditions. The starch synthesis pathway in chloroplasts and the cytosol can be inhibited by 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea and 1,2-cyclohexane diamine tetraacetic acid (CDTA), respectively. Degradation of glycine into ammonia during photorespiration was blocked by aminooxyacetate (AOA) to maintain biomass concentration. Inhibition of starch synthesis pathways in the cytosol by CDTA increased fatty acid productivity by 27% under nitrogen deficiency, whereas the blocking of photorespiration in mitochondria by AOA was increased by 35% under nitrogen-sufficient conditions. The results of this study indicate that blocking starch or photorespiration pathways may redirect the carbon flux to fatty acid synthesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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