In a bacterial denitrification test with Pseudomonas sp. and anaerobic consortium, more nitrates and less substrate were consumed but less metabolic nitrite was produced under an anaerobic $H_2$ condition rather than under $N_2$ condition. In a bioelectrochemical denitrification test with the same organisms, the electrochemically reduced neutral red was confirmed to be a substitute electron donor and a reducing power like $H_2$. The biocatalytic activity of membrane-free bacterial extract, membrane fraction, and intact cell for bioelectrochemical denitrification was measured using cyclic voltammetry. When neutral red was used as an electron mediator, the electron transfer from electrode to electron acceptor (nitrate) via neutral red was not observed in the cyclic voltammogram with the membrane-free bacterial extract, but it was confirmed to gradually increase in proportion to the concentration of nitrate in that of the membrane fraction and the intact cell of Pseudomonas sp.
An autotrophic denitrification reactor (ADR-l) and a heterotrophic denitrification reactor (HDR-2) were operated to remove nitrate and nitrite in an anoxic environment in raw sewage. The $NO_3$-N removal rate of ADR-l was shown to range from 52.8% to 78.7%, which was higher than the $NO_3$-N removal rate of HDR-2. Specific denitrification rates (SDNR) of ADR-l and HDR-2 were 3.0 to 4.0 and 1.1 to $1.2\;mgNO_3$-N/gVSS/h, respectively. From results of restriction fragment length polymorphism (RFLP) of the 16S rRNA gene, Aquaspirillum metamorphum, Alcaligenes defragrans, and Azoarcus sp. were $\beta$-Proteobacteria that are affiliated with denitritying bacteria in the ADR-l. Specifically, Thiobacillus denitrificans was detected as an autotrophic denitrification bacteria. In HDR-2, the $\beta$-Proteobacteria such as Denitritying-Fe-oxidizing bacteria, Alcaligenes defragrans, Acidovorax sp., Azoarcus denitrificans, and Aquaspirillum metamorphum were the main bacteria related to denitrifying bacteria. The $\beta$-and $\alpha$-Proteobacteria were the important bacterial groups in ADR-l, whereas the $\beta$-Proteobacteria were the main bacterial group in HDR-2 based on results of fluorescent in situ hybridization (FISH). The number of Thiobacillus denitrificans increased in ADR-l during the operation period but not in HRD-2. Overall, the data presented here demonstrate that many heterotrophic denitritying bacteria coexisted with autotrophic denitrifying bacteria such as Thiobacillus denitrificans for nitrate removal in ADR-l. On the other hand, only heterotrophic denitritying bacteria were identified as dominant bacterial groups in HDR-2. Our research may provide a foundation for the complete nitrate removal in raw sewage of low-COD concentration under anoxic condition without any external organic carbon or the requirement of post-treatment.
NA BYUNG KWAN;SANG BYUNG IN;PARK DAE WON;PARK DOO HYUN
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.15
no.6
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pp.1221-1228
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2005
Carbon electrode was applied to a wastewater treatment system as biofilm media. The spatial distribution of heterotrophic bacteria in aerobic wastewater biofilm grown on carbon electrode was investigated by scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and biomass measurement. Five volts of electric oxidation and reduction potential were charged to the carbon anode and cathode of the bioelectrochemical system, respectively, but were not charged to electrodes of a conventional system. To correlate the biofilm architecture of bacterial populations with their activity, the bacterial treatment efficiency of organic carbons was measured in the bioelectrochemical system and compared with that in the conventional system. In the SEM image, the biofilm on the anodic medium of the bioelectrochemical system looked intact and active; however, that on the carbon medium of the conventional system appeared to be shrinking or damaging. In the AFM image, the thickness of biofilm formed on the carbon medium was about two times of those on the anodic medium. The bacterial treatment efficiency of organic carbons in the bioelectrochemical system was about 1.5 times higher than that in the conventional system. Some denitrifying bacteria can metabolically oxidize $H_{2}$, coupled to reduction of $NO_{3}^{-}\;to\;N_{2}$. $H_{2}$ was produced from the cathode in the bioelectrochemical system by electrolysis of water but was not so in the conventional system. The denitrification efficiency was less than $22\%$ in the conventional system and more than $77\%$ in the bioelectrochemical system. From these results, we found that the electrochemical coupling reactions between aerobic and anaerobic reactors may be a useful tool for improvement of wastewater treatment and denitrification efficiency, without special manipulations such as bacterial growth condition control, C/N ratio (the ratio of carbon to nitrogen) control, MLSS returning, or biofilm refreshing.
To remove nitrate from wastewater, a novel bioelectrochemical denitrification system is introduced. In this proposed system, biological reactions are coupled with reactions on the electrode, whereby the electrons are transferred to the bacterial enzymes via a mediator as an electron carrier. The denitrification reaction was achieved with permeabilized Ochrobactrum anthropi SY509 containing denitrifying enzymes, such as nitrate reductase, nitrite reductase, and nitrous oxide reductase, and methyl viologen was used as the mediator. The electron transfer from the electrode to the enzymes in the bacterial cells was confirmed using cyclic voltammetry. A high removal efficiency of nitrate was achieved when the bioelectrochemical system was used with the permeabilized cells. Furthermore, when the permeabilized cells were immobilized to a graphite felt electrode using a calcium alginate matrix containing graphite powder, a high removal efficiency was achieved (4.38 nmol/min mg cell) that was comparable to the result when using the free permeabilized cells.
In order to find an efficient bacterial strain that can carry out nitrification and denitrification simultaneously, we isolated many heterotrophic nitrifying bacteria from wastewater treatment plant. One of isolates NS13 showed high removal rate of ammonium and was identified as Alcaligenes faecalis by analysis of its 16S rDNA sequence, carbon source utilization and fatty acids composition. This bacterium could remove over 99% of ammonium in a heterotrophic medium containing 140 mg/L of ammonium at pH 6-9, $25-37^{\circ}C$ and 0-4% of salt concentrations within 2 days. It showed even higher ammonium removal at higher initial ammonium concentration in the medium. A. faecalis NS13 could also reduce nitrate and nitrous oxide by nitrate reductase and nitrous oxide reductase, respectively, which was confirmed by detection of nitrate reductase gene, napA, and nitrous oxide reducase gene, nosZ, by PCR. One of metabolic intermediate of denitrification, $N_2O$ was detected from headspace of bacterial culture. Based on analysis of all nitrogen compounds in the bacterial culture, 42.8% of initial nitrogen seemed to be lost as nitrogen gas, and 46.4% of nitrogen was assimilated into bacterial biomass which can be removed as sludge in treatment processes. This bacterium was speculated to perform heterotrophic nitrification and aerobic denitrification simultaneously, and may be utilized for N removal in wastewater treatment processes.
The dynamics of nitrogen compounds and RNA-based functional genes were characterized in the nitrification-denitrification coupling process. For the removal of residual ammonium, intermittent aeration was introduced in the denitrification reactor. N2O production was not observed in both reactors. In both reactors, the nitrifying genes (achaeal-amoA, bacterial-amoA and hor) and denitrifying genes (narG, nirK, norB and nosZ) had a copy number of 3.92 × 102-7.25 × 105 and 2.85 × 102-3.06 × 104 per ng of DNA, respectively. These results suggest that denitrification and nitrification reactions occur in both the nitrification and denitrification reactors, respectively. Therefore, the coupling process is a promising one for the conversion of ammonium to nitrogen without generating N2O.
Industrial wastewater with high ammonium concentration was treated in batch biological systems which was a modified Ludzack- Ettinger process. Up to 78% conversion of $NH_4\;^+-N$ to $NO_x\;^--N$ was achieved in batch culture condition. Under anoxic condition with methanol as the carbon source, the denitrifiers decreased $NO_x\;^--N$ concentration from 608 mg/L to 5.6 mg/L in 22 d. As well as anoxic denitrification of $NO_x\;^-$ to $N_2$, dissimilatory nitrate reduction to ammonium also occurred under the condition as respiratory denitrification.
Yoshiyuki Tsuchiya;Ena Chiba;Atsushi Kimura;Kenji Kawashima;Toshiya Hasunuma;Shiro Kushibiki;Yo-Han Kim;Shigeru Sato
Journal of Veterinary Science
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v.24
no.2
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pp.27.1-27.15
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2023
Background: The relationships between the postpartum subacute ruminal acidosis (SARA) occurrence and predicted bacterial functions during the periparturient period are still not clear in Holstein cows. Objectives: The present study was performed to investigate the alterations of rumen fermentation, bacterial community structure, and predicted bacterial functional pathways in Holstein cows. Methods: Holstein cows were divided into the SARA (n = 6) or non-SARA (n = 4) groups, depending on whether they developed SARA during the first 2 weeks after parturition. Reticulo-ruminal pH was measured continuously during the study period. Reticulo-ruminal fluid samples were collected 3 weeks prepartum, and 2 and 6 weeks postpartum, and blood samples were collected 3 weeks before, 0, 2, 4 and 6 weeks postpartum. Results: The postpartum decline in 7-day mean reticulo-ruminal pH was more severe and longer-lasting in the SARA group compared with the non-SARA group. Changes in predicted functional pathways were identified in the SARA group. A significant upregulation of pathway "PWY-6383" associated with Mycobacteriaceae species was identified at 3 weeks after parturition in the SARA group. Significantly identified pathways involved in denitrification (DENITRIFICATION-PWY and PWY-7084), detoxification of reactive oxygen and nitrogen species (PWY1G-0), and starch degradation (PWY-622) in the SARA group were downregulated. Conclusions: The postpartum SARA occurrence is likely related to the predicted functions of rumen bacterial community rather than the alterations of rumen fermentation or fluid bacterial community structure. Therefore, our result suggests the underlying mechanisms, namely functional adaptation of bacterial community, causing postpartum SARA in Holstein cows during the periparturient period.
A denitrification bacterium was isolated from riverbed soil and identified as Ochrobactrum sp., whose specific enzymes for denitrification metabolism were biochemically assayed or confirmed with specific coding genes. The denitrification activity of strain G3-1 was proportional to glucose/nitrate balance, which was consistent with the theoretical balance (0.5). The modified graphite felt cathode with neutral red, which functions as a solid electron mediator, enhanced the electron transfer from electrode to bacterial cell. The porous carbon anode was coated with a ceramic membrane and cellulose acetate film in order to permit the penetration of water molecules from the catholyte to the outside through anode, which functions as an air anode. A non-compartmented electrochemical bioreactor (NCEB) comprised of a solid electron mediator and an air anode was employed for cultivation of G3-1 cells. The intact G3-1 cells were immobilized in the solid electron mediator, by which denitrification activity was greatly increased at the lower glucose/nitrate balance than the theoretical balance (0.5). Metabolic stability of the intact G3-1 cells immobilized in the solid electron mediator was extended to 20 days, even at a glucose/nitrate balance of 0.1.
It is necessary to supply external carbon source for enhancement of biological nitrogen removal from domestic wastewater with low influent C/N ratio. Sulfide was chosen as a cost effective electron donor and reaction stoichiometry for autotrophic denitrification was investigated by conducting bench-scale experiments in this study. Higher sulfur to nitrogen (S/N) ratio than the calculated value from theoretical reaction stoichiometry was required when the anoxic reactor was operated at open condition because dissolved oxygen introduced by surface aeration reacted with sulfide with ease. In addition, higher sulfate production and lower yield of microorganism could be observed under the same condition. It was possible to obtain reliable reaction stoichiometry for autotrophic denitrification by establishing pure anoxic condition. Linear relationship between bacterial growth and consumption of nitrate, sulfide, alkalinity, and sulfate production enabled to derive a relatively correct reaction stoichiometry for autotrophic denitrification when sulfide was used as an electron donor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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