Oh, Young Taek;Lee, Kang-Mu;Bari, Wasimul;Kim, Hwa Young;Kim, Hye Jin;Yoon, Sang Sun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.26
no.3
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pp.627-636
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2016
The causative agent of pandemic cholera, Vibrio cholerae, infects the anaerobic environment of the human intestine. Production of cholera toxin (CT), a major virulence factor of V. cholerae, is highly induced during anaerobic respiration with trimethylamine N-oxide (TMAO) as an alternative electron acceptor. However, the molecular mechanism of TMAO-stimulated CT production is not fully understood. Herein, we reveal that CT production during anaerobic TMAO respiration is affected by glucose fermentation. When the seventh pandemic V. cholerae O1 strain N16961 was grown with TMAO and additional glucose, CT production was markedly reduced. Furthermore, an N16961 Δcrp mutant, devoid of cyclic AMP receptor protein (CRP), was defective in CT production during growth by anaerobic TMAO respiration, further suggesting a role of glucose metabolism in regulating TMAO-mediated CT production. TMAO reductase activity was noticeably decreased when grown together with glucose or by mutation of the crp gene. A CRP binding region was identified in the promoter region of the torD gene, which encodes a structural subunit of the TMAO reductase. Gel shift assays further confirmed the binding of purified CRP to the torD promoter sequence. Together, our results suggest that the bacterial ability to respire using TMAO is controlled by CRP, whose activity is dependent on glucose availability. Our results reveal a novel mechanism for the regulation of major virulence factor production by V. cholerae under anaerobic growth conditions.
This study is to investigate the kinetics of anaerobic process, the effect of mass transfer on process, and the characteristics of the conventional anaerobic bioreactor, and develop new high efficiency bioreactor. In the new bioreactor wastewater containing highly concentrated organic materials, was treated without diluting wastewater. In this experiment the high COD removal rate (about 88%) and gas production(about 200l/d) was showed with short residence time(1.5 day). This performance is about 10 times as large as the conventional reactor.
This study was carried out to estimate effects of synbiotics containing anaerobic microorganisms and prebiotics on in vitro fermentation characteristics and in situ disappearance rate of fermented total mixed ration (F-TMR). For the in vitro trial, ninety vinyl bags were prepared to analyze temperature, pH, ammonia concentration, microbial growth rate and short chain fatty acid concentration. For the in situ trial, one hundred twenty nylon bags were prepared to analyze dry matter (DM), acid detergent fiber (ADF) and neutral detergent fiber (NDF) disappearance rate. Treatments consisted of a basal diet (US) with prebiotics and probiotics from anaerobic mold (MS), bacteria (BS), yeast (YS) or compound (CS). It was found that temperatures at 14 and 21 days were significantly higher (p<0.05) in the YS and CS than in the others. The pH at 21 days was lower in the CS than in the US. The synbiotic treatments had significantly increased (p<0.05) ammonia concentration at 21 days. The DM disappearance at 72 h was significantly higher (p<0.05) in the MS and CS than in the others. ADF and NDF disappearance rate tended to increase at a rate similar to the DM disappearance rate. Therefore, this study suggests that synbiotics (probiotics with prebiotics) may partially help the quality of fermentation and digestibility of TMR (MS and CS) as fiber disappearance.
Statistical medium optimization has been carried out for the production of succinic acid in anaerobic fermentations of Actinobacillus succinogenes. Succinic acid utilized as a precursor of many industrially important chemicals is a fourcarbon dicarboxylic acid, biosynthesized as one of the fermentation products of anaerobic metabolism by A. succinogenes. Through OFAT (one factor at a time) experiments, corn steep liquor (CSL), a very cheap agricultural byproduct, was found to have significant effects on enhanced production of succinic acid, when supplemented along with yeast extract. Hence, using these factors including glucose as a carbon/energy source, interactive effects were investigated through $2^n$ full factorial design (FFD) experiments, showing that the concentration of each component (i.e., glucose, yeast extract and CSL) should be higher. Further statistical experiments were conducted along the steepest ascent path, followed by response surface method (RSM) in order to find out optimal concentrations of each constituent. Consequently, optimized concentrations of glucose, yeast extract and CSL were observed to be 180 g/L, 15.08 g/L and 20.75 g/L respectively (10 g/L of $NaHCO_3$ and 100 g/L of $MgCO_3$ to be supplemented as bicarbonate suppliers), with the estimated production level of succinic acid to be 92.9 g/L (about 3.5 fold higher productivity as compared to the initial medium). Notably, the RSM-estimated production level was almost similar to the amount of succinic acid (92.9 g/L vs. 89.1 g/L) produced through the actual fermentation process performed using the statistically optimized production medium.
A two-phase anaerobic digestion system for the treatment of swine waste was constructed in a commercial hog farm. The digester system was composed of 4 major units; slurry storage pit, acidogenic digester, methanogenic digester and sedimentation pit. A biogas boiler unit was also attached to maintain the digester temperature of 37$^{\circ}C$. Substrate lading was made with 2hr-interval by pumping about 2.1$m^3$ of slurry type swine waste from the slurry pit into the acidogenic digester, which corresponds to hydraulic retention time of 4 days for the acidogenic digester and of 11 days for the methanogenic digester. Digester temperature were well maintained as the set temperature of 37$^{\circ}C$ in the methanogenic digester, while the temperature in the acidogenic digester showed around 34$^{\circ}C$. pH also showed a steady-state results of 7.3 in the acidogenic digester and of 7.6 in the methanogenic digester during the operation period. Average biogas production rate was 0.66$m^3$/$m^3$ digester volume. Reduction rate of total solid and volatile solid were 42.8% and 5.8%, respectively. Total nitrogen and ammonia nitrogen were not reduced during the anaerobic fermentation, however, most of VFAs seemed to be converted to the biogas,. These fermentation performance data may suggest that he newly developed a two-phase anaerobic digester for the swine waste treatment worked so successfully.
This publication provides an overview of the state-of-the-art and perspective of biological $H_2$ production from water and/or organic substances. The biological $H_2$ production processes, being explored in fundamental and applied researches, are direct and indirect biophotolysis from water, photo-fermentation, dark anaerobic fermentation and in vitro $H_2$ production. The development of biological $H_2$ production technology, as an energy carrier, started at the late 1940's in the lab-scale. Now it has a high priority in the world, especially USA, Japan, EU and Korea.
Park, Woo-Shin;Jang, Nam-J.;Hyun, Seung-H.;Kim, In-S.
Environmental Engineering Research
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v.10
no.4
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pp.181-190
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2005
Severe loss or hydrogen occurred in most anaerobic hydrogen fermentation reactors. Several selected methods were applied to suppress the consumption of hydrogen and increase the potential of production. As the first trial, pH shock was applied. The pH of reactor was dropped nearly to 3.0 by stopping alkalinity supply and on]y feeding glucose (5 g/L-d). As the pH was increase to $4.8{\pm}0.2,$ the degradation pathway was derived to solventogenesis resulting in disappearance of hydrogen in the headspace. In the aspect of bacterial community, methanogens weren't detected after 22 and 35 day, respectively. Even though, however, there was no methanogenic bacterium detected with fluorescence in-situ hybridization (FISH) method, hydrogen loss still occurred in the reactor showing a continuous increase of acetate when the pH was increased to $5.5{\pm}0.2$. This result was suggesting the possibility of the survival of spore fanning acetogenic bacteria enduring the severely acidic pH. As an alternative and additive method, nitrate was added in a batch experiment. It resulted in the increase of maximum hydrogen fraction from 29 (blank) to 61 % $(500\;mg\;NO_3/L)$. However, unfortunately, the loss of hydrogen occurred right after the depletion of nitrate by denitrification. In order to prevent the loss entangled with acetate formation, $CO_2$ scavenging in the headspace was applied to the hydrogen fermentation with heat-treated sludge since it was the primer of acetogenesis. As the $CO_2$ scavenging was applied, the maximum fraction of hydrogen was enhanced from 68 % to 87 %. And the loss of hydrogen could be protected effectively.
Effect of nitrogen-load condition on hydrogen ($H_2$) production and bacterial community in a continuous anaerobic hydrogen fermentation were investigated. The slight $H_2$ production on extremely low nitrogen-load condition (C/N ratio: 180) at the start-up period. The highest $H_2$ production was obtained when the C/N ratio was 36, the $H_2$ production yield ($mol-H_2/mol-glucose$) reached to 1.7, and it was indicated that Clostridium pasteurianum mainly contributed to the $H_2$ production. The $H_2$ production was decreased on both the lower (C/N: 72) and higher (C/N: 18) nitrogen-load conditions. The excess nitrogen-load was not always suitable for the hydrogen production. The fluctuation of $H_2$ production seemed to be caused by a change in the bacterial community according to the nitrogen-load condition, while a recovery of $H_2$ productivity was possible by a control of nitrogen-load condition through the bacterial community change. When the nitrogen-load condition was not suitable for hydrogen production, the lactic acid concentration was increased and also lactic acid bacteria were definitely detected, which suggested that the competition between hydrogen fermentator and lactic acid producer was occurred. These results demonstrated that the nitrogen-load condition affect on the $H_2$ productivity through the change of bacterial community in anaerobic hydrogen fermentation.
Anaerobic decomposition is one of the most common processes in nature and has been extensively used in waste and wastewater treatment for several centuries. New applications and system modifications continue to be adapted making the process either more effective, less expensive, or suited to the particular waste in question and the operation to which it is to be applied. Animal manure is a highly biodegradable organic material and will naturally undergo anaerobic fermentation, resulting in release of noxious odors, such as in manure storage pits. Depending on the presence or absence of oxygen in the manure, biological treatment process may be either aerobic or anaerobic. Under anaerobic conditions, bacteria carry on fermentative metabolisms to break down the complex organic substances into simpler organic acids and then convert them to ultimately formed methane and carbon dioxide. Anaerobic biological systems for animal manure treatment include anaerobic lagoons and anaerobic digesters. Methane and carbon dioxide are the principal end products of controlled anaerobic digestion. These two gases are collectively called biogas. The biogas contains $60\~70\%$ methane and can be used directly as a fuel for heating or electrical power generation. Trace amounts of ammonia and hydrogen sulfide ($100\~300\;ppm$) are always present in the biogas stream. Anaerobic lagoons have found widespread application in the treatment of animal manure because of their low initial costs, ease of operation and convenience of loading by gravity flow from the animal buildings. The main disadvantage is the release of odors from the open surfaces of the lagoons, especially during the spring warm-up or if the lagoons are overloaded. However, if the lagoons are covered and gases are collected, the odor problems can be solved and the methane collected can be used as a fuel. Anaerobic digesters are air-tight, enclosed vessels and are used to digest manure in a well-controlled environment, thus resulting in higher digestion rates and smaller space requirements than anaerobic lagoons. Anaerobic digesters are usually heated and mixed to maximize treatment efficiency and biogas production. The objective of this work was to review a current anaerobic biological treatment of animal manure for effective new technologies in the future.
This study was performed with electrolysis treatment method for improving anaerobic digestion gas production efficiency in a sewage sludge, thereby confirmed in anaerobic digestion production and denitrification effect. As a result, solubilization was increased by increasing treatment time of electrolysis and current density, also showed to be 9.02% with 10 mA/cm2 of current density in 4 mm electrode distance. Based on the results of BMP test used the above experiment, methane production was 0.49 L CH4/g VS, and increased by 88.4% compared with control groups. As for the results of denitrification using the sewage sludge treated with the same conditions, denitrification rate appeared $19.2mg\;NO_3{^{-}}N/g\;MLVSS{\cdot}hr$, and through the sewage sludge treated with electrolysis, it can be applied to anaerobic digestion and denitrification process by increasing biodegradation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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