Bewertung der Sauerstoffabreicherung und Biofilmstruktur in MBBR-Tr?gern

Untersuchungen zur Verteilung der Sauerstoffpenetration durch Biofilmtr?ger mit VisiSens?

Biofilm-Systeme wie Moving-Bed-Biofilmreaktoren (MBBR) werden zur Abwasserreinigung eingesetzt. In vorl?ufigen Tests sollte die Eignung eines 2D-Imagingsystems für die ?berwachung der Sauerstoffverteilung und -penetration durch mit Biofilm bewachsene BioChip M-Tr?ger bewertet werden. Das VisiSens? System lieferte r?umlich hoch aufgel?ste Sauerstoffbilder der Tr?ger, die in einer einfachen Durchflusszelle aufgebaut waren. Die 2D-Bilder, die über die Versuchszeit hinweg aufgezeichnet wurden, erm?glichten die Korrelation der metabolischen Aktivit?t des Biofilms mit der Gesamtstruktur des Biofilms, der auf BioChip M in einem MBBR kultiviert wurde. Im Vergleich zu zeitaufwendigen und teuren Messungen mit Mikroelektroden kann VisiSens? genauere Informationen liefern, wenn es darum geht, den Einfluss der Biofilmstruktur auf Stofftransport- und Transferprozesse zu untersuchen.

Biofilm-Systeme sind seit Anfang 1900 in der Abwasseraufbereitung weit verbreitet. Neue und komplexere Technologien sind mittlerweile entwickelt worden, wie zum Beispiel der Moving-Bed-Biofilm-Reaktor (MBBR). In einem solchen System w?chst Biofilm auf ruhenden Kunststofftr?gern, die im Vergleich zu herk?mmlichen Belebtschlammsystemen eine wesentlich h?here Biomassedichte erm?glichen. Diese Systeme werden oft zur Behandlung von industriellen Abw?ssern mit hoher organischer Belastung oder zur Stickstoffentfernung eingesetzt. Die hohe Biomassedichte führt zu hohen volumetrischen Umsatzraten idealerweise ohne Substratlimitierung für den Biofilm. Um einen ausreichenden Substrattransport zum Biofilm auf den geschützten Oberfl?chenbereichen sicherzustellen, ist eine laminare Str?mung über den Biofilm erforderlich, die durch das Mischmuster im MBBR bereitgestellt wird. Die M?glichkeit zu haben, gel?sten Sauerstoff (DO) auf dem Tr?ger zu überwachen, ist hochinteressant, um sowohl den Biofilm als auch das Tr?germaterial zu bewerten. Da die Tr?ger innerhalb eines MBBR vorwiegend der Str?mung parallel zum kreisf?rmigen Querschnitt zugewandt sind, ist die Sauerstoffverteilung durch den Biofilm, der auf dem Tr?ger gewachsen ist, heterogen. Bisher war die Charakterisierung von Biofilmen hinsichtlich der Sauerstoffabreicherung nur mit Mikroelektroden m?glich, was sehr zeitaufwendige Messungen erforderte. Eine Charakterisierung der heterogenen Sauerstoffverteilung über den Tr?ger oder w?hrend verschiedener Phasen des Reaktorbetriebs war mit dieser Methode nicht m?glich. Die Verwendung der VisiSens? Sensorfolien (SF-RPSU4, PreSens) zur zweidimensionalen ?berwachung von Sauerstoffkonzentrationen über die Zeit ist daher eine gro?e Verbesserung für die Charakterisierung des Substrattransports in Biofilmen. Dieser Bericht beschreibt einen vorl?ufigen Test zur ?berwachung der Sauerstoffverteilung und -penetration durch Biofilmtr?ger in einer einfachen Durchflusszelle mit dem VisiSens? System. Die Sensorfolie wurde auf der Seite des Tr?gers angeordnet, die nicht der Str?mung zugewandt war, um nur den Sauerstoff zu erfassen, der durch den Tr?ger hindurch transportiert wurde.

Material & Methoden

Die Experimente wurden mit dem Biofilmtr?ger BioChip M (AnoxKaldnes, Schweden) durchgeführt. Dieser Biofilmtr?ger ist ein ebener Zylinder (d = 50 mm, h = 1 mm) mit einem gleichm??igen Raster von 1,7 mm x 1,7 mm (siehe Abb. 1). Die Experimente wurden in einer Flie?zelle (l = 600 mm, h = 68 mm, w = 60 mm) aus Plexiglas durchgeführt (siehe Abb. 1D). Die VisiSens? Sensorfolie wurde mit Silikonkleber auf die Bodenplatte der Flie?zelle geklebt. ?ber der Sensorfolie wurde ein Biofilmtr?ger mit Klebeband fixiert. Für eine konstante Rezirkulation pumpte eine hinter dem Tr?ger (Auslass) angeordnete Pumpe das Wasser zum Einlass der Durchflusszelle. Um eine gleichm??ige Verteilung des Wasserflusses zu gew?hrleisten, wurde eine Ablenkplatte zwischen Wassereinlass und Biofilmtr?ger platziert. Ein Belüftungsstein wurde vor der Ablenkplatte platziert. Die Kalibrierung der Sensorfolie wurde bei 0 % und 100 % Sauerstoffs?ttigung in Wasser und 20 ?C durchgeführt. Nach dem Belüften der Volumenphase in der Flie?zelle bis zur Sauerstoffs?ttigung wurde die Belüftung abgeschaltet und die Sauerstoffmessung gestartet. 200 Bilder wurden alle 10 Sekunden aufgenommen. Die Bildanalyse wurde mit ImageJ (National Institute of Health, v1.47b, Bethesda, USA) durchgeführt, nachdem RAW- und IMJ-Dateien mit der neuesten Version der von PreSens bereitgestellten Konvertersoftware konvertiert wurden. Nach Umrechnung der R-Werte in Prozent Sauerstoffs?ttigung wurden negative Werte auf NaN eingestellt. Sie wurden daher in weiteren Berechnungen ignoriert. Weitere Datenanalysen und Plotting wurden mit R (R Core Team, R Stiftung für statistische Berechnungen, Wien, AT) durchgeführt.

Sauerstoffverteilung auf einem BioChip M

Abbildung 2 (A - E) veranschaulicht die heterogene Sauerstoffverteilung im gesamten BioChip M. Die Flie?geschwindigkeit wurde konstant gehalten und obwohl es Gitter gab, die weniger Biofilm als andere enthielten (siehe Abb. 1 B), wurden keine Luftblasen eingeschlossen. Insgesamt sank die mittlere S?ttigung innerhalb von 2000 s von 84,3 % (Abb. 2 A) auf 59,8 % (Abb. 2 E). Von besonderem Interesse waren die "hot spots" mit langsamer Sauerstoffabnahme. Sie entsprachen zum Teil den Regionen mit geringerer Biofilmdichte. Sieben dieser "hot spots" wurden genauer untersucht. Zeitreihenbilder wurden gesammelt und nach rechts gedreht, so dass die "hot spots" mit dem Gitter des Chips ausgerichtet waren. Wir verwendeten eine quadratische Auswahl, um die Untersuchungsbereiche (Regions of interest = ROIs) in den Bildern zu definieren und anschlie?end zu bearbeitet (Abb. 2 F). DO in % wurde für jedes einzelne Sauerstoffbild und für jede ROI berechnet. Dadurch konnten sowohl die DO-?nderung als auch die Absenkungsrate dc / dt abgeleitet werden. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 gezeigt. Die Werte bei Δt = 0 s, 500 s, 1000 s und 2000 s sind identisch mit den in Abb. 2 dargestellten Werten. Nach 600 s begann die Sauerstoffverarmung sich lokal zu unterscheiden. ROI 2, 3, 5, 6 und 7 zeigten eine signifikant h?here Abnahme der Sauerstoffs?ttigung, w?hrend ROI 1 und 4 mehr oder weniger dem Trend des vollst?ndigen BioChip M folgten. Da die experimentellen Bedingungen w?hrend des Versuchs konstant waren, k?nnen die gemessenen Schwankungen des Sauerstoffs nur durch den Biofilm auf dem BioChip M zurückgeführt werden. Generell wurden am Ende des Experiments Gitter mit geringem Biomassegehalt und damit geringem Sauerstoffbedarf (aerobe Atmung, metabolische Aktivit?t) als Regionen mit hoher Sauerstoffs?ttigung identifiziert. Die mittlere Sauerstoffverarmungsrate dc / dt wurde in R berechnet und die Ergebnisse in Abb. 3B dargestellt. In ?bereinstimmung mit den zuvor gezeigten Ergebnissen sind die Sauerstoffverarmungsraten für gefüllte Gitter fast doppelt so hoch (dc / dt ca. 0.35 % / 10 s, ROI 2, 5 - 7) im Vergleich zu weniger gefüllten Gittern (dc / dt ca. 0,15 % / 10 s, ROI 1 und 4).

Zusammenfassung

Das VisiSens? System lieferte nicht-invasiv und mit hoher r?umlicher Aufl?sung Informationen über die Sauerstoffverteilung innerhalb von BioChip M-Tr?gern, die mit Biofilm bewachsen waren. Darüber hinaus konnten Bereiche von besonderem Interesse analysiert werden, um Informationen über die Biomasseaktivit?t an bestimmten Orten ("Hot Spots") genauer abzuleiten. Obwohl Informationen über die Sauerstoffs?ttigung in der Tiefe nicht verfügbar sind, sind Sauerstoffverarmungsraten einfach zu berechnen, was definitiv ein Vorteil gegenüber Messungen mit Mikroelektroden darstellt. Die metabolische Aktivit?t des Biofilms kann aufgrund der Bildverarbeitung mit der Gesamtstruktur des mit Biofilm kultivierten BioChip M in einem MBBR korreliert werden, um den Einfluss der Biofilmstruktur auf Stofftransport- und Transferprozesse besser zu verstehen.