Применение биопленок в промышленности
Введение
[ редактировать ]Многие микроорганизмы могут естественным образом расти вместе на поверхностях, образуя сложные агрегации в толстых слоях, называемых биопленками . Были предприняты большие усилия для разработки эффективных методов удаления биопленки или профилактики в процессах клинического и производства пищевых продуктов. С другой стороны, текущие исследования показали, что биопленки могут быть полезны для конструктивных целей, таких как шаблон новых материалов [ 1 ] [ 2 ] Это может найти приложения в отрасли. Одной из характерных характеристик формирования биопленки является то, что микроорганизмы в биопленках часто намного более жесткие и более устойчивы к стрессу окружающей среды по сравнению с отдельными микроорганизмами. Несмотря на то, что биопленки имеют высокий динамический характер, клетки внутри заполнителя являются стационарными и способны адаптироваться к неблагоприятным средам. Это явление повышенной устойчивости может быть полезным при промышленном химическом производстве, где микроорганизмы в биопленках могут переносить более высокую химическую концентрацию и выступать в качестве надежных биографических заводов для различных продуктов. Эти микробы также использовались в биоремедиации для удаления загрязняющих веществ из пресноводных и сточных вод. Более новое использование биопленки включает генерирование электричества с использованием микробных топливных элементов . Проблемы по масштабированию этой технологии включают в себя стоимость, контроль роста биопленок и мембранное загрязнение .
Биоремедиация
[ редактировать ]Биопленки могут состоять из множества бактерий, грибов и водорослей, которые способны поглощать, иммобилизовать и разрушать многие общие загрязнители, обнаруженные в сточных водах . Используя естественное явление, биопленка опосредованное восстановление является экологически чистым методом для очистки окружающей среды. [ 3 ] В настоящее время активированный ил является общим процессом очистки сточных вод. Тем не менее, системы очистки сточных вод на основе биопленки часто используют меньше места, более последовательны и производят меньше ила. [ 4 ]
Биопленки содержат большое количество внеклеточного полимерного вещества (EPS), которое состоит из полисахаридов, белков, ДНК и фосфолипидов. Они секретируются микробами и способствуют стабильности [ 5 ] и плотность [ 6 ] биопленки. Это помогает иммобилизировать микробы и загрязнители из воды. [ 7 ] Тяжелые металлы, такие как свинец, медь, марганец, магний, цинк, кадмий, железо и никелевые комплексы, с отрицательно заряженными функциональными группами в EP и попадают в ловушку. [ 8 ] В недавних исследованиях также используются биопленки для ловушки и совокупности трудных для удаления микропластиков для удобного удаления из загрязненной среды. [ 9 ] [ 10 ] Несущий из некоторого опорного материала обычно присутствует в реакторе, разработанном в качестве места для роста биопленки. [ 3 ]
Микроорганизмы в биопленках более ограничены в питательных веществах, поскольку они должны полагаться на диффузию для транспорта питательных веществ по сравнению с обычным транспортом для свободных плавающих микробов. Это приводит к тому, что больше EPS секретируется в биопленках. Некоторые бактериальные клетки в среде тяжелых металлов также могут реагировать на стресс, образуя и поддерживая биопленки. Оба эти эффекта помогают дальнейшему удалению загрязняющих веществ из воды. [ 3 ] [ 11 ] Биопленки также могут быть использованы для раннего мониторинга загрязнения окружающей среды для изоляции, идентификации и количественной оценки загрязняющих веществ в сточных водах и водных путях. [ 3 ]
Текущие проблемы для биопленки-опосредованной биоремедиации включают трудности в контроле структуры биопленки и, в частности, ее толщины и пористости. Кроме того, рН и другие условия воды могут быть менее оптимальными для роста биопленки. Исследователи работают над инженерными микробными биопленками, в частности, микроорганизмы, чтобы преодолеть эти ограничения. [ 3 ] [ 12 ]
Мембранные биоплентные реакторы
[ редактировать ]В то время как мембранные биореакторы фильтровали хлопья в активированном осадках , мембранные биопленки реакторы подают газ, такие как O 2 , H 2 и CH 4 , чтобы способствовать росту биопленки на поверхности гидрофобных мембран. Биопленка растет на фиксированной поверхности, а не в подвеске. Эти реакторы могут эффективно удалить микрополтанты из сточных вод. Это включает в себя взвешенные твердые вещества, патогенные микроорганизмы и органические соединения, все чаще встречающиеся в сельскохозяйственных, промышленных, больничных и бытовых сточных водах. Некоторые проблемы этой технологии включают проницаемость мембраны, загрязнение мембраны и удаление антибиотиков. [ 12 ]
Анаэробные реакторы биопленки
[ редактировать ]Производство молочных продуктов-это водосточный процесс и генерирует большое количество сточных вод от промывки оборудования и от побочных продуктов. В частности, эти сточные воды имеют много суспендированных, коллоидных и растворенных частиц, включая лактозу, белки и липиды. Одним из методов обработки молочных сточных вод является использование анаэробных биоплентных реакторов. Биопленка растет на опорном материале, который может быть сделан из ракушек, природных камней, древесного угля и пластиковых материалов, среди других источников. Эти анаэробные фильтры , однако, могут быть забиты из -за высокого содержания жира в молочных сточных водах. Чтобы бороться с накоплением летучих жирных кислот на этих фильтрах, исследователи рассмотрели предварительное лечение сточных вод. [ 13 ]
Реакторы биопленки с движущимися слоями
[ редактировать ]В реакторах биопленки с движущимся слоем биопленки биопленки растут на маленьких пластиковых или губчатых носителях, которые циркулируют в биореакторах, используя аэрацию или механическое перемешивание. Это обеспечивает высокий контакт между загрязнителями в сточных водах, а добавление большего количества носителей может увеличить скорость биодеградации . Тем не менее, это также требует увеличения перемешивания или аэрации и, следовательно, увеличения использования энергии. [ 14 ] [ 15 ] Эта технология, в частности, использовалась в промышленности в качестве альтернативы обычным процессам активированного ила для удаления органических веществ и питательных веществ, таких как углерод, азот и фосфор. [ 16 ]
Реакторы биопленки водорослей
[ редактировать ]Реакторы биопленки водорослей могут использоваться для очистки сточных вод и производства биотоплива . Традиционно, производство биотоплива водорослей имеет высокие эксплуатационные расходы, но может быть объединено с очисткой сточных вод, чтобы быть более экономичным. Высокие концентрации азота и фосфата, часто встречающиеся в сточных водах, являются отличными питательными веществами для микроводорослей . По мере пролиферирования микроводорослей они разлагают органические загрязнители в сточных водах. Эти микроводоросли можно собирать и использовать в производстве биотоплива. [ 17 ] Для муниципальной очистки сточных вод эти реакторы могут быть вертикальными, горизонтальными, проточными переулками или вращающимися. Биопленка, состоящая из клеток микроводорослей, растут на опор из нейлона, полиэтилена, хлопка или других материалов. С точки зрения производства биотоплива реакторы биопленки водорослей являются альтернативой современным биореакторам водорослей или открытым гоночным прудам , где биомасса водорослей растет при подвеске. Это потенциально увеличивает плотность клеточной культуры, тем самым используя меньше воды и земли. [ 17 ] Есть еще проблемы с контрольными условиями для оптимизации роста микроводорослей и потенциального загрязнения сточных вод с патогенами. Количество света, снабжения CO 2 и удаление O 2 также важны для стимулирования роста микроводорослей, поскольку он полагается на фотосинтез . Сточные воды также могут быть предварительно обработаны, например, добавлением других питательных веществ, таких как углерод и кремний. [ 17 ] [ 18 ]
3D -реакторы электродов биопленки
[ редактировать ]Текущие биоэлектрохимические системы для обработки сложных сточных вод (например, содержат краситель, антибиотики, тяжелые металлы), индуцируя окислительно-восстановительные реакции , может быть по времени и иметь ограниченный массоперенос. Электроды могут коррозировать, в зависимости от состава воды, и накопление твердых веществ может привести к биологическому обращению, тем самым снижая эффективность электрода. 3D -реакторы электродов биопленки представляют собой новую технологию, которая добавляет проводящие частицы между электродами, чтобы увеличить контакт микроорганизмов с загрязняющими веществами. Это приводит к более высокому массовому переносу и способствует электрокатализу , когда микробы на электродах разлагают загрязняющие вещества в воде. До сих пор неясно, стоимость этой технологии и то, как она может обрабатывать различные условия сточных вод (например, электрическая проводимость, концентрация соли, pH). [ 19 ]
Химическое производство
[ редактировать ]Биопленки также рассматриваются для производства объемных химических веществ с использованием ферментации биопленки, которая является типом биологического завода . Некоторые продукты, такие как кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы и товар-химический акриламид , производятся с использованием иммобилизованных биокатализаторов . Однако метод иммобилизации может быть дорогостоящим, и процесс может деактивировать биокатализатор, приводящий к снижению активности с течением времени. Эти факторы могут сделать сложным использовать иммобилизованные биокатализаторы для производства массовых химикатов и топлива, которые часто имеют низкую рыночную цену. Таким образом, ферментация биопленки рассматривалась как способ увеличения урожайности органических кислот и спиртов таким образом, который является более коммерчески осуществимым. Штаммы бактерий, которые известны для производства химического вещества интереса, выращиваются на носителях, которые могут быть сделаны из различных материалов. Например, Zymomonas Mobilis и Saccharomyces cerevisiae на пластиковых и пластиковых опорах были исследованы для увеличения урожайности этанола. Было также проведено исследование для синтеза бутанола, молочной кислоты, ацетона и многого другого. [ 20 ] В коммерческом масштабе бактерии уксусной кислоты в реакторе биопленки биопленки, использовались для производства уксуса. [ 21 ]
Из -за структуры биопленки существуют ограничения массопереноса, которые приводят к градиентам в концентрациях питательных веществ и продукта, рН и температуре. Таким образом, развиваются бактериальные субпопуляции, которые могут уменьшить количество бактерий, активно вырабатывающих интересующее химическое вещество, тем самым снижая урожай продукта. На это также может повлиять биореакторы, которые не являются должным образом стерилизованы, что приводит к нечистым культурам. Для некоторых объемных химических веществ с низкой стоимостью, которые не требуют стерильных условий, эта особенность может быть использована, используя смесь микробов, которые могут улучшить общий выход. [ 20 ]
Биоплентные реакторы часто имеют более длительные периоды запуска, так как бактерии могут занять несколько дней, чтобы прикрепить носителей. Кроме того, для накопления биомассы может потребоваться несколько недель или даже месяцев. Напротив, чрезмерный рост биомассы также может засорять биореакторы, что приводит к простоям для обслуживания и убыткам в прибыли. Работа и управление процессом также могут быть сложными для динамической среды биореакторов. [ 20 ]
Электрохимически активные биопленки
[ редактировать ]Электрически активные микроорганизмы создают электрохимически активные биопленки (EAB), которые использовались в микробных топливных элементах для генерации электрического тока. [ 22 ] Эти топливные элементы также были в паре с очисткой сточных вод, используя множество биоразлагаемых органических компонентов в сточных водах. Он рассматривался как альтернатива обычным методам очистки сточных вод, или как шаг перед мембранным реактором, или для уменьшения количества полученного сплошного осадка. Исследователи рассмотрели лечение молочных продуктов, туши животных, пивоварни, винодельни и бытовых сточных вод, чтобы назвать несколько, с микробными топливными элементами . Эта технология, однако, еще не была полностью успешной в больших масштабах из -за низкой плотности мощности и колеблющейся температуры и состава реальных сточных вод. [ 23 ] EAB также были рассмотрены для производства водорода, который в настоящее время производится в основном из невозобновляемого ископаемого топлива . В новой технологии ячеек микробного электролиза EAB на аноде разбивают органические субстраты на CO 2 , электроны и протоны. Кроме того, EAB были использованы для синтеза наночастиц металла и металлических полупроводниковых композитов в качестве альтернативы традиционным химическим методам. [ 22 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дейд -Робертсон, Мартин; Керен -Паз, Алона; Чжан, Мэн; Колодкин-Гал, Илана (2017-08-16). «Архитекторы природы: выращивание зданий с бактериальными биопленками» . Микробная биотехнология . 10 (5): 1157–1163. doi : 10.1111/1751-7915.12833 . ISSN 1751-7915 . PMC 5609236 . PMID 28815998 .
- ^ «Биопленки как строители» . www.tum.de. Получено 2022-12-14 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и Gadkari J, Bhattacharya S, Shrivastav A (2022-01-01). «Глава 7 - Важность и применение биопленки в биоремедиации с помощью микробов». В Shah MP, Rodriguez-Couto S, Kapoor Rt (Eds.). Разработка в исследованиях и процессах очистки сточных вод . Elsevier. С. 153–173. doi : 10.1016/b978-0-323-85657-7.00006-7 . ISBN 978-0-323-85657-7 .
- ^ Zhao Y, Liu D, Huang W, Yang Y, Ji M, Nghiem LD, et al. (Сентябрь 2019). «Понимание носителей биопленки для процессов очистки биологических сточных вод: текущие современные, проблемы и возможности». Технология Bioresource . 288 : 121619. DOI : 10.1016/j.biortech.2019.121619 . HDL : 10453/135531 . PMID 31202712 . S2CID 189943322 .
- ^ Флемминг, Ганс-Курт; Neu, Thomas R.; Возняк, Даниэль Дж. (Ноябрь 2007 г.). «Матрица EPS:« Дом клеток биопленки » . Журнал бактериологии . 189 (22): 7945–7947. doi : 10.1128/jb.00858-07 . ISSN 0021-9193 . PMC 2168682 . PMID 17675377 .
- ^ VU, Барбара; Чен, Мяо; Кроуфорд, Рассел Дж.; Иванова, Елена П. (2009-07-13). «Бактериальные внеклеточные полисахариды, участвующие в образовании биопленки» . Молекулы . 14 (7): 2535–2554. doi : 10.3390/molecules14072535 . ISSN 1420-3049 . PMC 6254922 . PMID 19633622 .
- ^ Махто, Кумари Ума; Вандана; Приядаршани, Моника; Samantaray, Devi P.; Das, Surajit (2022-12-15). «Бактериальная биопленка и внеклеточные полимерные вещества при лечении загрязняющих веществ окружающей среды: за пределами защитной роли в выживаемости» . Журнал чистого производства . 379 : 134759. DOI : 10.1016/j.jclepro.2022.134759 . ISSN 0959-6526 . S2CID 253037779 .
- ^ Чуа, песня Лин; Сивакумар, Кришнакумар; Rybtke, Morten; Юань, Минджун; Андерсен, Йенс Бо; Нильсен, Томас Е.; Гивсков, Майкл; Толкер-Нильсен, Тим; Cao, bin; Кьеллеберг, Стафан; Ян, Лян (2015-05-20). «C-DI-GMP регулирует реакцию стресса Pseudomonas Aeruginosa на теллурит во время планктонных и биоплентных способов роста» . Научные отчеты . 5 (1): 10052. Bibcode : 2015natsr ... 510052c . doi : 10.1038/srep10052 . ISSN 2045-2322 . PMC 4438720 . PMID 25992876 .
- ^ Лю, Сильвия Ян; Леунг, Мэтью Мин-Лок; Клык, Джеймс Кар-Хей; Чуа, песня Лин (2021-01-15). «Инженерия микробной ловушки и высвобождения» механизм для удаления микропластиков » . ХИМИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ЖУРНАЛ . 404 : 127079. DOI : 10.1016/j.cej.2020.127079 . HDL : 10397/88307 . ISSN 1385-8947 . S2CID 224972583 .
- ^ Чан, пастух Юэн; Вонг, Макс Ван-Тан; Кван, Бонни Цз Чинг; Клык, Джеймс Кар-Хей; Чуа, Сонг Лин (2022-10-12). «Микробно -герматический комбинаторный подход для захвата и высвобождения микропластиков» . Экологические науки и технологические письма . 9 (11): 975–982. doi : 10.1021/acs.estlett.2c00558 . ISSN 2328-8930 . S2CID 252892619 .
- ^ Jasu A, Ray RR (2021-10-01). «Биопленки опосредованные стратегии для смягчения загрязнения тяжелых металлов: критический обзор в биоремедиации металлов». Биокатализ и сельскохозяйственная биотехнология . 37 : 102183. DOI : 10.1016/j.bcab.2021.102183 . ISSN 1878-8181 . S2CID 242606925 .
- ^ Jump up to: а беременный Li Z, Ren L, Qiao Y, Li X, Zheng J, Ma J, Wang Z (январь 2022 г.). «Последние достижения в области мембранного биоплентного реактора для удаления микрополтантов: основ, производительность и микробных сообществ». Технология Bioresource . 343 : 126139. DOI : 10.1016/j.biortech.2021.126139 . ISSN 0960-8524 . PMID 34662738 . S2CID 239027338 .
- ^ Карадаг Д., Кёроглу О.Е., Оскайя Б., Какмакчи М. (2015-02-01). «Обзор анаэробных биоплентных реакторов для обработки сточных вод молочной промышленности». Процесс биохимия . 50 (2): 262–271. doi : 10.1016/j.procbio.2014.11.005 . ISSN 1359-5113 .
- ^ Shayulu D, Majumder A, Gupta AK (2021-10-01). «Систематический обзор реактора биопленки движущегося слоя, мембранного биореактора и биореактора движущегося слоя для очистки сточных вод: сравнение тенденций исследования, механизмов удаления и производительности». Журнал экологического химического машиностроения . 9 (5): 106112. DOI : 10.1016/j.jece.2021.106112 . ISSN 2213-3437 .
- ^ Sonwani RK, Jaiswal RP, Rai Bn, Singh RS (январь 2022 г.). «Глава 15- Перемещающий слой биопленки реактор- (MBBR-), основанная на современной технологии очистки сточных вод для удаления появляющихся загрязняющих веществ». В Shah M, Rodriguez-Couto S, Biswas J (Eds.). Разработка в исследованиях и процессах очистки сточных вод . Elsevier. С. 349–370. doi : 10.1016/b978-0-323-85583-9.00020-x . ISBN 978-0-323-85583-9 Полем S2CID 240504850 .
- ^ Di Biase A, Kowalski MS, Devlin TR, Oleszkiewicz JA (октябрь 2019). «Технология реактора биопленки движущихся слоев при очистке муниципальных сточных вод: обзор». Журнал управления окружающей средой . 247 : 849–866. doi : 10.1016/j.jenvman.2019.06.053 . PMID 31349180 . S2CID 198934216 .
- ^ Jump up to: а беременный в Hoh D, Watson S, Kan E (2016-03-01). «Реакторы биопленки водорослей для интегрированной очистки сточных вод и производства биотоплива: обзор» . ХИМИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ЖУРНАЛ . 287 : 466–473. doi : 10.1016/j.cej.2015.11.062 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Kesaano M, Sims RC (2014-07-01). «Технология биопленки на основе водорослей для очистки сточных вод». Исследование водорослей . 5 : 231–240. doi : 10.1016/j.algal.2014.02.003 . ISSN 2211-9264 .
- ^ Wu ZY, Xu J, Wu L, Ni BJ (ноябрь 2021 г.). «Трехмерные реакторы биопленки-электрода (3D-блоки) для очистки сточных вод». Технология Bioresource . 344 (PT B): 126274. DOI : 10.1016/j.biortech.2021.126274 . PMID 34737054 . S2CID 242092358 .
- ^ Jump up to: а беременный в Леонов П.С., Флорес-Альсина Х, Герни К.В., Стернберг С (2021-09-01). «Микробные биопленки в биорезащите - в направлении устойчивой продукции низких объемных химических веществ и топлива». Биотехнологические достижения . 50 : 107766. DOI : 10.1016/j.biotechadv.2021.107766 . ISSN 0734-9750 . PMID 33965529 .
- ^ Халан Б., Бюлер К., Шмид А (сентябрь 2012 г.). «Биопленки как живые катализаторы в непрерывных химических синтезах». Тенденции в биотехнологии . 30 (9): 453–465. doi : 10.1016/j.tibtech.2012.05.003 . PMID 22704028 .
- ^ Jump up to: а беременный Kalathil S, Khan MM, Lee J, Cho MH (ноябрь 2013). «Производство биоэлектричества, биогидрогена, химических веществ высокого значения и наноматериалов биоинспирации с помощью электрохимически активных биопленок». Биотехнологические достижения . «Биоэнергетика и биорезащита от биомассы» посредством инновационной разработки технологий. 31 (6): 915–924. doi : 10.1016/j.biotechadv.2013.05.001 . PMID 23680192 .
- ^ Khandaker S, Das S, Hossain MT, Islam A, Miah MR, Awual MR (2021-12-15). «Устойчивый подход к очистке сточных вод с использованием микробных топливных элементов и зеленой энергии - всесторонний обзор». Журнал молекулярных жидкостей . 344 : 117795. DOI : 10.1016/j.molliq.2021.117795 . ISSN 0167-7322 . S2CID 243345413 .