מדידת פוטנציאל ביו-מתאן של פסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה המופעלת על ידי פסולת באמצעות רספירומטריה
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטות עבודה מומלצות לקביעת ייצור מתאן ופרמטרים קינטיים מיקרוביאליים באמצעות רספירומטריה עבור מיקרוביוטה אנאירובית, עיכול משותף, פסולת מזון ובוצה המופעלת על ידי פסולת.
Abstract
השימוש ברספירומטריה לחקר הביוקינטיקה של מיקרוביוטה, טיפול בשפכים או עיכול בוצות שפכים הפך נפוץ יותר בעשורים האחרונים. השימוש ברספירומטריה לבחינת הביוקינטיקה של מיקרוביוטה אנאירובית המעכלת במשותף זרמי פסולת אורגנית כגון בוצת שפכים וגרוטאות מזון הוא תחום מחקר פעיל. עד כה לא פורסם פרוטוקול ויזואלי בנושא. בהתאם לכך, בפרוטוקול זה, הגדרנו רספירומטר למדידת ייצור מתאן וקצב זרימתו לאורך זמן באמצעות שלושה יחסי מזון-מיקרואורגניזם (F:M) שונים ופסולת פסולת ובוצה המופעלת על ידי פסולת כמצעים. הנתונים המתקבלים, יחד עם מדידות ניצול המצע, מספקים את הבסיס להבנה כיצד ריכוזי מצע שונים משפיעים על הקצב שבו מיקרוביוטה אנאירובית מייצרת מתאן. בנוסף, פרוטוקול זה מציג שיטה לפיתוח פרמטרים ביוקינטיים (למשל, קצב ייצור מתאן קבוע ותפוקה). אחרים יכולים להשתמש בפרוטוקול רספירומטריה זה כדי לבחון פירוק אורגני בתנאים אנאירוביים ולפתח פרמטרים מיקרוביאליים.
Introduction
החוקרים חוקרים פעילות מיקרוביאלית בסקאלת הספסל באמצעות מגוון גישות, כולל מחקרי אצווה, מיקרוקוסמוס ורספירומטריה, בין היתר. ניתן להשתמש ברספירומטרים למדידת נשימה תאית דרך שלבי הצמיחה ו/או הדעיכה של קהילת חיידקים על ידי התבוננות בצריכת המצע ובייצור המוצר הסופי בתנאים מבוקרים1. התוצאות ממחקרי רספירומטר בקנה מידה של ספסל יכולות לשמש גם להערכת פרמטרים ביוקינטיים לבניית מודל תהליך2. רספירומטרים שימשו לבחינת פעילות מיקרוביאלית אירובית ואנאירובית; עם זאת, מחקרים המשתמשים ברספירומטריה כדי למדוד את פוטנציאל הביו-מתאן (BMP), במיוחד של מצעים אורגניים מעורבים, הם תחום מחקר מתמשך 3,4.
חומרים אורגניים בשפכים ביתיים מוכרים כמקור מתחדש בר-קיימא של אנרגיה כימית5. עיכול אנאירובי של בוצות שפכים (כלומר, בוצה ראשונית ובוצה המופעלת על ידי פסולת, WAS) שימש לייצור ביוגז עשיר במתאן במתקני טיהור שפכים (WWTPs) במשך יותרממאה שנה. עם זאת, העיכול של זרמי פסולת אורגנית מרובים, כגון פסולת גרוטאות מזון עם WAS, הפך נפוץ רק בשנים האחרונות והוא עדיין תחום מחקר פעיל. פסולת גרוטאות מזון היא זרם פסולת עקבי של חומר אורגני בצפיפות גבוהה במדינות מפותחות רבות, המהווה כ -25% ממסת ההטמנה בארה”ב7. מלבד הפניית חלק משאריות המזון מהשלכה במטמנות, השילוב של שאריות מזון ו-WAS בתרחיש של עיכול משותף הוא יתרון בשל הגידול בנפח הביו-גז המיוצר (ביחס לזרם פסולת אורגנית יחיד). ביוגז מכיל בדרך כלל 60%-70% מתאן, 30%-40% פחמן דו-חמצני, וכמויות זעירות של גזים אחרים (למשל, מימן גופרתי)8. ניתן לנקות ולשרוף את הביוגז באתר ב-WWTPs באמצעות טכנולוגיה משולבת של חום והספק כדי לקזז חלק מדרישות האנרגיה החשמלית והחום9.
מספר מחקרים בחנו את פוטנציאל הביומתאן ואת הפרמטרים הביוקינטיים של מיקרוביוטה אנאירובית המעכלת פסולת אורגנית1. מחקרים זמינים בספרות השתמשו במבחני אצווה בבקבוקי סרום שבהם ייצור המתאן נמדד בנקודות בדידות לאורך כל הניסוי, בעוד שאחרים מדדו את ייצור המתאן באמצעות מדי זרימה המחוברים ישירות לביוריאקטוריםבקנה מידה של ספסל או פיילוט 2,10,11. מדידה רציפה של ייצור מתאן באמצעות רספירומטר, כמו זה המתואר בפרוטוקול זה, יכולה לספק מדידות מתאן רציפות ומדויקות ממספר רב של דגימות המופעלות במגוון תנאי ניסוי 1,12. בעוד מספר מחקרים מדדו ייצור מתאן מעיכול משותף של WAS יחד עם מצעים אורגניים אחרים, כגון פסולת ביולוגית, שומנים, שמנים, שומן ופסולת חקלאית 10,13,14, נותרה עבודה משמעותית לזיהוי שיעורי ייצור מתאן מהמגוון הגדול של תרחישי עיכול משותף. יתר על כן, נכון להיום, אין פרוטוקול זמין המספק גישה מעמיקה, שלב אחר שלב, תוך שימוש בתיאורים חזותיים למדידת ייצור מתאן מעיכול משותף של שאריות מזון ו- WAS. בהתאם לכך, מחקר זה מציג פרוטוקול רספירומטר למדידת ייצור מתאן והפקת פרמטרים ביוקינטיים באמצעות תערובת של שפכים מדוללים, WAS, ופסולת גרוטאות מזון כמצעים. יחסים שונים בין מזון למיקרואורגניזמים (F:M) שימשו כדי לעזור להבהיר שינויים בייצור מתאן. מדידות אחרות כוללות מוצקים מרחפים נדיפים (VSS), דרישת חמצן כימית (COD) ו- pH של כל דגימה. פרוטוקול זה מתאר הגדרת רספירומטר, יצירת דגימות ומדידות קריטיות.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטות המסופקות בפרוטוקול זה יכולות לסייע לחוקרים ולמתרגלים לקבוע את פוטנציאל הביו-מתאן של עיכול אנאירובי של זרמי פסולת אורגנית באמצעות רספירומטריה. בפרוטוקול זה, אנו מדגימים יצירת מתאן מעיכול משותף של זרם פסולת מזון טיפוסי יחד עם WAS מ-WWTP בטווח של יחסי F:M. פרוטוקול זה מוסיף לספרות על ידי מתן גישת ספירומטריה שלב אחר שלב למדידה רציפה של ייצור מתאן וקביעת פרמטרים ביוקינטיים באמצעות מודלים קינטיים מסדר ראשון. מספר מחקרים אחרים השתמשו בניסויי מיקרוקוסמוס המודדים ייצור מתאן בנקודות זמן בדידות10,22, בעוד שאחרים מדדו מתאן באמצעות מדי זרימה המחוברים לביוריאקטורים ארוכי טווח של ספסל זרימה רציפה או בקנה מידה של פיילוט14,23. רספירומטריה מציעה את היתרון של מדידת ייצור מתאן על בסיס רציף על פני מגוון רחב של תנאי ניסוי. מכיוון שניסויי רספירומטריה אינם דורשים בניית ביוריאקטור, ניתן לשנות את תנאי הניסוי בתדירות יחסית בהשוואה לניסויים מסוימים בקנה מידה של ספסל או פיילוט. בשל יתרון זה, ניתן להשתמש בניסויי רספירומטריה כדי לקבוע את ייצור המתאן מעיכול משותף של שילובים רבים של פסולת אורגנית בפרק זמן קצר יחסית. לדוגמה, כצעד הבא לפרוטוקול שהוצג במחקר זה, שומנים, שמנים וגריז, שהם צפופים מאוד באנרגיה כימית ביחס ל- WAS, יכולים להיות מעוכלים יחד עם שאריות מזון כדי לכמת עליות אפשריות בייצור מתאן לאורך זמן. היישום של גישה זו יכול להמשיך לבנות את גוף הספרות בנוגע לקצב ייצור המתאן ופרמטרים ביוקינטיים על פני שילובי מצעים מרובים בתוכניות עיכול משותף. יתר על כן, בנוסף לקביעת שילובי מצעים אופטימליים, ניתן להשתמש בתוצאות ייצור מתאן ובפרמטרים ביוקינטיים כדי ליידע מודלים של ביצועים בתוכניות קיימות, כגון אלה המתוכננות לטיפול בשפכים, או לחזות כיצד תוכניות עיכול משותף יתפקדו כאשר יוגדלו מספסל או בקנה מידה ניסיוני בקנה מידה מלא24,25.
בנוסף, פרוטוקול זה יכול להיות מתוקן כדי להחיל הזנת מצע מותאמת עבור קונסורציום מיקרוביאלי אנאירובי. לדוגמה, אם חוקר רוצה לבחון את ההשפעות של אספקת פחמימות בלבד או רק חלבונים למיקרוביוטה אנאירובית, אז חומרי ההזנה בפרוטוקול זה יכולים להשתנות בהתאם. לחלופין, אם חוקר רוצה לבדוק את ההשפעה של הוספת חלק מסוים של COD (למשל, רק COD מסיס, או רק COD חלקיקי) או ריכוזים גבוהים של מצע מסוים (למשל, אצטט, חומצת שומן נדיפה ותוצר ביניים של חילוף החומרים האנאירובי) על ייצור מתאן, ניתן להשתמש בווריאציה של פרוטוקול זה. שיטת עבודה מומלצת שנצפתה בעת שינוי מצע או לסירוגין F:M של מצע מסוים היא לשמור על אותה מסה של מיקרוביוטה אנאירובית עבור כל דגימה תוך התאמת מסת המצע בלבד (יש להשתמש ביחס מסה למסה). בנוסף לשינוי המצע, חוקרים יכולים להשתמש בפרוטוקול זה עם ניתוחים אחרים כדי להשיג הבנה טובה יותר של שימוש במצעים וייצור מתאן. לדוגמה, חוקר יכול להשתמש בפרוטוקול זה בשילוב עם ניתוחים קהילתיים מיקרוביאליים (למשל, ריצוף גנים 16S rRNA או מטגנומיקה) כדי לקשר טוב יותר בין מבנה הקהילה לתפקוד.
למרות התועלת של מתודולוגיה זו, ישנן מספר מגבלות. ספירומטרים ובדיקות פוטנציאליות של ביו-מתאן מוגדרים לרוב ככורי אצווה; עם זאת, מעכלים אנאירוביים בקנה מידה מלא מופעלים בדרך כלל כמערכות זרימה רציפה עם זמני אגירת בוצה למעלה מ -10 ימים1. בהתאם לכך, הנתונים שנאספו מניסויי רספירומטריה שימושיים להערכת קצב ייצור המתאן ולפיתוח פרמטרים ביוקינטיים אך יש לאמת נתונים אלה בשטח באמצעות מעכלים בקנה מידה גדול יותר המופעלים לאורך זמן במידת האפשר.
בנוסף, יש להקפיד על בחירת והכנת הדגימות לפני רספירומטריה. חלקיקי שאריות מזון גדולים יטו את מדידות VSS ו- COD ויכולים לספק תוצאות לא מדויקות. אם פסולת שאריות מזון משמשת כמצע, התערובת צריכה להיות מוקררת היטב וללא חלקיקי מזון גדולים – גישה הדומה להשרייה בבורות קבלת שאריות מזון במעכלים בקנה מידה מלא. דילול עם מי DI יכול לעזור בתהליך הערבול והוא דומה לתוספת של מים המשמשת בדרך כלל כאשר שאריות מזון מרוקנות בקנה מידה גדול יותר. עם זאת, יש לעשות כל מאמץ כדי להבטיח כי דילולים נמדדים כראוי וכי תכולת לחות המטרה מושגת. דילול יכול בקלות להיות מקור לטעות, במיוחד אם תלמידים חסרי ניסיון מבצעים פרוטוקול זה.
מכיוון שהקונסורציום המיקרוביאלי הקיים בעיכול משותף מכיל אנאירובים מחייבים, יש לנקוט בזהירות מיוחדת כדי למנוע (או להפחית מאוד) את החשיפה לחמצן במהלך תהליכי ההעברה והכנת הדגימה. ניתן להסיר חמצן מבקבוקי הדגימה באמצעות שטיפת חנקן. יתר על כן, אם יש, העבודה של העברת תרבות אנאירובית בין בקבוקי איסוף בקבוקי דגימת resspirometer צריך להתבצע בתא אנאירובי. מכיוון שהרספירומטר מספק תוצאות עקביות (נפחי ייצור מתאן וקצבים), ניתן לזהות בקלות כל סטייה מהתוצאות הצפויות, למשל קונסורציום מיקרוביאלי שאינו בר קיימא, לקראת תחילת הבדיקה. השימוש במדגם כפול או משולש יכול לסייע עוד יותר בזיהוי בדיקות פגומות.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לד”ר ג’ים יאנג מחברת Respirometer Systems and Applications על הדיון בנוגע לפיתוח פרוטוקול זה.
Materials
| 103 °C Oven Isotemp | Fisher Scientific | 13-247-737F | Model: 737F, Force Air Oven |
| 550 °C Vulcan Oven | Neytech (Manufacturer) / Cole Palmer (Vendor) | 9493308 | Model: 3-550 |
| Aerobic/Anaerobic Respirometer | Respirometer System and Applications (RSA) | PF-8000 | Model: PF-8000 |
| Analytical Balance | Mettler Toledo | 30029075 | Model: ME204E, Detection Limit: 0.1 mg |
| Smoothie Blender with 56 oz Plastic Jar | Hamilton Beach | 50190F | Model: 50190F |
| COD Vials TNT Plus Vial Test | HACH | TNT821 | TNT 821, 3–150 mg/L COD |
| COD Vials TNT Plus Vial Test | HACH | TNT822 | TNT 822, 20–1500 mg/L COD |
| Dessicator | SP Bel-Art | 942070050 | Model: SP Scienceware |
| Dionized Water System | Milli-Q | ZIQ7010T0C | IQ 7010 Pure & Ultrapure Water Purification System |
| Anhydrous CaSO4 | W.A. Hammond Drierite Company | 13001 | 8 Mesh, 1 lb |
| Glass Fiber Filters | Whatman (Manufacturer) / Cole-Parmer (Vendor) | 1827-150 | Model: 934-AH |
| Heat Digestor Block | HACH | DRB200-02 | DRB 200 |
| Hot Plate Stirrer | Corning | 6795-620D | Model: PC-620D |
| Industrial-Grade Nitrogen (Compressed Cylinder) | Air Gas | NI UHP300 | 300 cubic feet |
| Pellets (KOH) | Fisher Scientific | AC134062500 | 500 g |
| pH Meter | Fisher Scientific | 13-636-AP115 | AP115, Accumet pH meter |
| UV Spectrophotometer | HACH | LPV400.99.00012 | DR 3900 |
| Vaccum Pump | GAST | 1HAB-25-M100X |
References
- Mainardis, M., Buttazzoni, M., Cottes, M., Moretti, A., Goi, D. Respirometry tests in wastewater treatment: Why and how? A critical review. Sci Total Environ. 793, 148607 (2021).
- Pan, Y., et al. Synergistic effect and biodegradation kinetics of sewage sludge and food waste mesophilic anaerobic co-digestion and the underlying stimulation mechanisms. Fuel. 253, 40-49 (2019).
- Argiz, L., et al. Assessment of a fast method to predict the biochemical methane potential based on biodegradable COD obtained by fractionation respirometric tests. J Environ Manage. 269, 110695 (2020).
- Carucci, A., et al. Aerobic storage by activated sludge on real wastewater. Water Res. 35 (16), 3833-3844 (2001).
- McCarty, P. L., Bae, J., Kim, J. Domestic wastewater treatment as a net energy producer-Can this be achieved. Environ Sci Technol. 45 (17), 7100-7106 (2011).
- McCarty, P. The development of anaerobic treatment and its future. Water Sci Technol. 44 (8), 149-156 (2001).
- From farm to kitchen: The environmental impacts of U.S. food waste Part 1. United States Environmental Protection Agency Available from: https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/from-farm-to-kitchen-the-environmental-impacts-of-u.s.-food-waste_508-tagged.pdf (2021)
- Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . WastewaterEngineering:TreatmentandReuse. 5th ed. , (2014).
- Pfluger, A., et al. Anaerobic digestion and biogas beneficial use at municipal wastewater treatment facilities in Colorado: A case study examining barriers to widespread implementation. J Clean Prod. 206, 97-107 (2019).
- Mata-Alvarez, J., Dosta, J., Romero-Güiza, M. S., Fonoll, X., Peces, M., Astals, S. A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renew Sust Energ Rev. 36, 412-427 (2014).
- Pfluger, A. R., Hahn, M. J., Hering, A. S., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. Statistical exposé of a multiple-compartment anaerobic reactor treating domestic wastewater. Water Environ Res. 90 (6), 530-542 (2018).
- Razaviarani, V., Buchanan, I. D. Calibration of the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) for steady-state anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge with restaurant grease trap waste. Chem Eng J. 266, 91-99 (2015).
- Zhu, H., et al. Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludges. Int J Hydrog Energy. 33 (14), 3651-3659 (2008).
- Serna-García, R., Ruiz-Barriga, P., Noriega-Hevia, G., Serralta, J., Pachés, M., Bouzas, A. Maximising resource recovery from wastewater grown microalgae and primary sludge in an anaerobic membrane co-digestion pilot plant coupled to a composting process. J Environ Manage. 281, 111890 (2021).
- Gossett, J. M., Belser, R. L. Anaerobic digestion of waste activated sludge. J Environ. 108 (6), 1101-1120 (1982).
- Yi, H., Han, Y., Zhuo, Y. Effect of combined pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Procedia Environ Sci. 18, 716-721 (2013).
- Nah, I. W., Kang, Y. W., Hwang, K. Y., Song, W. K. Mechanical pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Water Res. 34 (8), 2362-2368 (2000).
- American Public Health Association. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Vol. 10. American Public Health Association. , (2012).
- Food Data Central. US Department of Agriculture Available from: https://fdc.nal.usda.gov/ (2024)
- Vanzin, G., Pfluger, A., Almstrand, R., Figueroa, L., Munakata-Marr, J. Succession of founding microbiota in an anaerobic baffled bioreactor treating low-temperature raw domestic wastewater. Environ Sci Water Res Technol. 8 (4), 792-806 (2022).
- Negi, S., Dhar, H., Hussain, A., Kumar, S. Biomethanation potential for co-digestion of municipal solid waste and rice straw: a batch study. Bioresour Technol. 254, 139-144 (2018).
- Rostkowski, K. H., Pfluger, A. R., Criddle, C. S. Stoichiometry and kinetics of the PHB-producing Type II methanotrophs Methylosinus trichosporium OB3b and Methylocystis parvus OBBP. Bioresour Technol. 132, 71-77 (2014).
- Pfluger, A., Vanzin, G., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. An anaerobic hybrid bioreactor for biologically enhanced primary treatment of domestic wastewater under low temperatures. Environ Sci Water Res Technol. 4 (11), 1851-1866 (2018).
- Callahan, J. L., Pfluger, A. R., Figueroa, L. A., Munakata-Marr, J. BioWin® modeling of anaerobic sludge blanket treatment of domestic wastewater. Bioresour Technol Rep. 20, 101231 (2022).
- Linvill, C., Butkus, M., Bennett, E., Wait, M., Pytlar, A., Pfluger, A. Energy balances for proposed complete full-scale anaerobic wastewater treatment facilities. Environ Eng Sci. 40 (11), 482-493 (2023).
