Abstrakt

Biotechnologie 2013: Vergleich der mikrobiellen Gemeinschaften zweier Bioreaktoren zur Behandlung von Sickerwasser aus Metallbergbauabraum mit unterschiedlicher Effizienz - Maryam Rezadehbashi - University of British Columbia

 Mariam Rezadehbashi

 Zusammenfassung: In dieser Studie untersuchen wir mithilfe modernster Sequenzierungsverfahren die mikrobiellen Netzwerkstrukturen zweier anaerober Bioreaktoren (S8 und S5), die Abflusswasser aus Metallbergbauhalden mit erhöhten Kupfer-, Molybdän- und Sulfatkonzentrationen belohnen, um die mikrobiellen Netzwerke mit den Leistungen der Bioreaktoren in Verbindung zu bringen. S5 ist ein gleichmäßiger Flusssee, während S8 ein flussaufwärts/flussabwärts gelegener See ist. Diese Bioreaktoren behandeln ähnliche Abflusshalden, verwenden dieselbe Kohlenstoffquelle und beziehen beide Mikroben aus demselben natürlichen Teich. S8 und S5 arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen, haben unterschiedliche behandelbare Volumina und weisen unterschiedliche Metallentfernungsraten auf. S5 hat 90 %, 41 % und 16 % Molybdänstickstoff und Sulfat erfolgreich entfernt. Die jährlichen Molybdän- und Kupferausscheidungen bei S8 erreichten 2008 einen Mittelwert von 37 % und 84 % (mehr als bei S5). Die Gesamtauswirkungen von S8 auf die Wasserqualität waren ähnlich denen der S5-abhängigen Molybdän-, Stickstoff- und Sulfatausscheidung, jedoch mit dem großen zusätzlichen Vorteil der konstante Kupferausscheidung. Das mikrobielle Netzwerk des S8-Bioreaktors bestand hauptsächlich aus methanogenen Euryarchaeota und extremophilen Halobacteria. Im Gegensatz zu S8 wurde der S5-Bioreaktor von Proteobacteria, Bacteroidetes und Chloroflexi beherrscht. Große Teile dieser Populationen waren mit der Oxidation und dem Abbau von Metallen und der Zersetzung komplexer organischer Verbindungen verbunden. Die Bezeichnungen Desulfobacterales, Desulfuromonadales, Hydrogenophilales, Burkholderiales, Sphingomonadales und Rhodospirillales (häufig in S5) haben Mitglieder, die mit der Bioremediation in Verbindung stehen. Im S8-Bioreaktor sind einige dieser Anforderungen noch erkennbar, wenn auch mit geringerer Häufigkeit. Die mikrobielle Verbindung von S8 und S5 schlägt für diese beiden Systeme jeweils eine methanogene/methanotrophe und sulphogene Umgebung vor. Wasser bedeckt 70 % der Erdoberfläche, aber die Welt steht derzeit vor einer Wasserknappheit. Von dieser enorm reichlich vorhandenen Ressource ist weniger als 1 % für den menschlichen Gebrauch verfügbar. 66 % des gesamten Süßwassers sind in Eismassen und Eisgipfeln gelagert, wo es oft vom Menschen schwer zugänglich ist und daher nicht allgemein für den Gebrauch zugänglich ist. Die restlichen 97 % des weltweiten Wassers sind salzhaltig und kommen in den Ozeanen und Meeren vor. Dies ist für landwirtschaftliche Zwecke, industrielle Reinigung oder den menschlichen Gebrauch ohne große Energiequellen und Entsalzungsprojekte ungeeignet, obwohl es für einige begrenzte Anwendungen verwendet werden kann, beispielsweise für bestimmte Arten der Kühlung in industriellen Prozessen. Diese Wasserquellen haben sich in den letzten 100 Jahren nicht verändert, doch in dieser Zeit hat die Bevölkerung ein schnelles Wachstum erlebt. Der Großteil des von der Menschheit genutzten Wassers wird entweder als Energieträger in der thermoelektrischen Energieerzeugung genutzt, wo es sowohl zur Kühlung als auch zur Dampferzeugung verwendet wird, um den Hauptantrieb für die Turbinen zu erzeugen, oder in der landwirtschaftlichen Wasserversorgung und Reinigung.Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (UNFAO) schätzt, dass 11,8 % der jährlich entnommenen 3.918 km3 Neuwasser für städtische Zwecke verwendet werden, wo es Haushalten zum Trinken, Waschen und für Freizeitzwecke zur Verfügung steht. Die weltweiten Wassermengen bleiben in einem System, das als Wasserkreislauf bezeichnet wird, konstant, sodass physische Wasserbeschränkungen, außer in Wüsten oder dicht besiedelten Gebieten, normalerweise kein Problem darstellen. Ein dringlicheres Problem ist jedoch die begrenzte Verfügbarkeit von Wasser, das entweder trinkbar (für den menschlichen Gebrauch geeignet) oder von ausreichender Qualität für andere städtische und industrielle Anwendungen ist. Nachdem Wasser in einem anthropogenen Prozess verwendet wurde, wird es als Abwasser bezeichnet. Abwasser wird als Abwasser bezeichnet, das die Produktion einer Kombination der in Tabelle 1 aufgeführten Quellen enthält. Laut UNFAO verfügte die Welt im Jahr 2012 über fast 52.600 km3 Neuwasserreserven pro Jahr, was etwas mehr als einem Drittel der jährlich entnommenen Menge entspricht. Allerdings wird diese Ressource nicht gleichmäßig verteilt. Asien beispielsweise verfügt über fast ein Viertel der verfügbaren Wasserressourcen der Welt, hat aber fast 60 % der Gesamtbevölkerung. Die meisten Menschen leben in internationalen Ballungszentren, von denen 80 % an der Küste oder an wichtigen Wasserstraßen liegen. Viele Städte auf der ganzen Welt – selbst in Ländern mit hohen jährlichen Niederschlagsmengen und Mitgliedern der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD-Länder wie London) – gelten als „wasserorientiert“. „Wasserorientiert“ liegt vor, wenn eine Region Zugang zu mehr sauberem Wasser benötigt als verfügbar ist oder mehr Abwasser produziert, als effektiv behandelt werden kann. Dies führt zu einem sofortigen Eindringen von Abwasser in die Leitungen und zur Verschlechterung der Wasserqualität. Dies wiederum hat finanzielle Kosten zu Folge, sowohl durch Arbeitsausfall durch menschliche Krankheiten als auch durch Schäden an den umliegenden natürlichen Ressourcen, wie z. B. Angelbeständen. Der VBR wurde nach den Zellwachstumsaspekten benannt, die während des Betriebs beobachtet wurden. Wenn Mikroalgen photoautotroph wachsen – mit Licht als einziger Energiequelle –, führt die darauf folgende Photosynthese zur Produktion von toxischen Sauerstoffwerten. Einer der Hauptvorteile der Wirbelströmung im VBR-Design ist der hohe Gasaustausch, der zwischen der Flüssigkeit und allen im System vorhandenen Gasen stattfindet. Dieser hohe Austauschgrad führt dazu, dass der gelöste Sauerstoffgehalt auf einem Niveau gehalten wird, das dem der Umgebungsluft näher kommt, wodurch ein freier Luftaustausch mit der Außenumgebung ermöglicht wird. Sauerstofftoxizität infolge eines begrenzten Gasaustauschs ist ein erhebliches Problem für laufradbetriebene Photobioreaktorsysteme, weshalb energieintensive gasgemischte Systeme wie Airliftreaktoren oder Blasensäulen weit verbreitet sind. Wenn zum Mischen der Flüssigkeit kein Gas verwendet wird, muss in der Regel ein spezielles Entgasungsfach in das Design eines Photobioreaktors integriert werden.Ein Wirbel-Entgaser könnte in diesem Bereich weitreichende Funktionen haben, da die Wirbelströmung sowohl eine effektive Methode zum Gasaustausch als auch eine skalierbare Technologie darstellt. Die Feinabstimmung der Scherkräfte, um das Absterben von Organismen jeder einzelnen Art zu vermeiden und gleichzeitig einen maximalen Sauerstoffaustausch aufrechtzuerhalten, schließt jedoch wahrscheinlich ein passives Design nach dem Motto „Einheitsgröße“ aus.maryamdehbashi@gmail.com