Bewertung der Sauerstoffabreicherung und Biofilmstruktur in MBBR-Trägern

Untersuchungen zur Verteilung der Sauerstoffpenetration durch Biofilmträger mit VisiSens™

Biofilm-Systeme wie Moving-Bed-Biofilmreaktoren (MBBR) werden zur Abwasserreinigung eingesetzt. In vorläufigen Tests sollte die Eignung eines 2D-Imagingsystems für die Überwachung der Sauerstoffverteilung und -penetration durch mit Biofilm bewachsene BioChip M-Träger bewertet werden. Das VisiSens™ System lieferte räumlich hoch aufgelöste Sauerstoffbilder der Träger, die in einer einfachen Durchflusszelle aufgebaut waren. Die 2D-Bilder, die über die Versuchszeit hinweg aufgezeichnet wurden, ermöglichten die Korrelation der metabolischen Aktivität 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 wächst Biofilm auf ruhenden Kunststoffträgern, die im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlammsystemen eine wesentlich höhere Biomassedichte ermöglichen. Diese Systeme werden oft zur Behandlung von industriellen Abwässern 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 Oberflächenbereichen sicherzustellen, ist eine laminare Strömung über den Biofilm erforderlich, die durch das Mischmuster im MBBR bereitgestellt wird. Die Möglichkeit zu haben, gelösten Sauerstoff (DO) auf dem Träger zu überwachen, ist hochinteressant, um sowohl den Biofilm als auch das Trägermaterial zu bewerten. Da die Träger innerhalb eines MBBR vorwiegend der Strömung parallel zum kreisförmigen Querschnitt zugewandt sind, ist die Sauerstoffverteilung durch den Biofilm, der auf dem Träger gewachsen ist, heterogen. Bisher war die Charakterisierung von Biofilmen hinsichtlich der Sauerstoffabreicherung nur mit Mikroelektroden möglich, was sehr zeitaufwendige Messungen erforderte. Eine Charakterisierung der heterogenen Sauerstoffverteilung über den Träger oder während verschiedener Phasen des Reaktorbetriebs war mit dieser Methode nicht möglich. Die Verwendung der VisiSens™ Sensorfolien (SF-RPSU4, PreSens) zur zweidimensionalen Überwachung von Sauerstoffkonzentrationen über die Zeit ist daher eine große Verbesserung für die Charakterisierung des Substrattransports in Biofilmen. Dieser Bericht beschreibt einen vorläufigen Test zur Überwachung der Sauerstoffverteilung und -penetration durch Biofilmträger in einer einfachen Durchflusszelle mit dem VisiSens™ System. Die Sensorfolie wurde auf der Seite des Trägers angeordnet, die nicht der Strömung zugewandt war, um nur den Sauerstoff zu erfassen, der durch den Träger hindurch transportiert wurde.

Material & Methoden

Die Experimente wurden mit dem Biofilmträger BioChip M (AnoxKaldnes, Schweden) durchgeführt. Dieser Biofilmträger ist ein ebener Zylinder (d = 50 mm, h = 1 mm) mit einem gleichmäßigen Raster von 1,7 mm x 1,7 mm (siehe Abb. 1). Die Experimente wurden in einer Fließzelle (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 Fließzelle geklebt. Über der Sensorfolie wurde ein Biofilmträger mit Klebeband fixiert. Für eine konstante Rezirkulation pumpte eine hinter dem Träger (Auslass) angeordnete Pumpe das Wasser zum Einlass der Durchflusszelle. Um eine gleichmäßige Verteilung des Wasserflusses zu gewährleisten, wurde eine Ablenkplatte zwischen Wassereinlass und Biofilmträger platziert. Ein Belüftungsstein wurde vor der Ablenkplatte platziert. Die Kalibrierung der Sensorfolie wurde bei 0 % und 100 % Sauerstoffsättigung in Wasser und 20 ºC durchgeführt. Nach dem Belüften der Volumenphase in der Fließzelle bis zur Sauerstoffsättigung 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 Sauerstoffsättigung 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 Fließgeschwindigkeit 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 Sättigung 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 anschließend zu bearbeitet (Abb. 2 F). DO in % wurde für jedes einzelne Sauerstoffbild und für jede ROI berechnet. Dadurch konnten sowohl die DO-Änderung 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 höhere Abnahme der Sauerstoffsättigung, während ROI 1 und 4 mehr oder weniger dem Trend des vollständigen BioChip M folgten. Da die experimentellen Bedingungen während des Versuchs konstant waren, können 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 Aktivität) als Regionen mit hoher Sauerstoffsättigung identifiziert. Die mittlere Sauerstoffverarmungsrate dc / dt wurde in R berechnet und die Ergebnisse in Abb. 3B dargestellt. In Übereinstimmung 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 räumlicher Auflösung Informationen über die Sauerstoffverteilung innerhalb von BioChip M-Trägern, die mit Biofilm bewachsen waren. Darüber hinaus konnten Bereiche von besonderem Interesse analysiert werden, um Informationen über die Biomasseaktivität an bestimmten Orten ("Hot Spots") genauer abzuleiten. Obwohl Informationen über die Sauerstoffsättigung in der Tiefe nicht verfügbar sind, sind Sauerstoffverarmungsraten einfach zu berechnen, was definitiv ein Vorteil gegenüber Messungen mit Mikroelektroden darstellt. Die metabolische Aktivität 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.