Utvärdering av kvorumdämpande stammar (Quorum

Genom stimulans av bakteriestammar, som hämmar produktionen av biopolymerer från slammets mikroflora i en MBR, uppnåddes en signifikant minskning av igensättningen av membranen och en kraftig ökning av det kritiska fluxet.

Av: Bengt Andersson

Membranbioreaktorer (MBR) för avloppsvattenrening är en lovande process men tveksamheter finns dock vad gäller igensättning av membranen. Biopolymerer från slammets mikroflora (lösta mikrobiella produkter (SMP) och extracellulära polymera substanser (EPS)) orsakar i huvudsak igensättningen. Avancerade fysikaliska och kemiska metoder för att minska igensättningen har visat sig vara ineffektiva och en utveckling av andra metoder är nödvändig och angelägen.

Quorum quenching (QQ) är en ny metod, som tar hänsyn till den mikrobiella bakgrunden för igensättningen genom att avbryta Quorum Sensing (QS). QS är en process där bakterierna använder små molekylära transmittrar för intracellulär kommunikation mellan arter och där bakterier kan synkronisera sina gener och olika fenotyper som t.ex. antibiotikaresistens och virulens men även produktion av EPS och SMP. Gramnegativa bakterier använder vanligen N-Acyl-_L-homoserin (AHL) för kommunikationen och QQ har i huvudsak fokuserat på att försöka bryta signaleringen genom AHL. Mikroorganismer, som kan bryta ner AHL, förekommer i en traditionell aktivtslamprocess men endast några få stammar har isolerats tidigare. Begränsad kunskap finns även av effekten av QQ på kritiskt flux och transmembrant tryck (TMP) för en MBR. Kritiskt flux är en viktig driftparameter för MBR och det definieras som ett flux under vilket igensättningen är reversibelt med stabilt TMP. SMP och EPS är starkt korrelerade till kritiskt flux och en reduktion av EPS och SMP kan leda till högre kritiskt flux.

Syftet med refererad studie var att visa om QQ-stammar isolerade från aktivtslam kunde begränsa igensättningen av membranen i en MBR genom en minskning av EPS och SMP och att belysa effekten på kritiskt flux och ökningen av TMP vid höga flux. 

Genomförande

Försöken utfördes i ett MBR-system i laboratorieskala. Systemet var uppbyggt med en luftningstank, en membrantank med ett membran med 0,4 mm nominell pordiameter samt med erforderlig utrustning för mätning och styrning av viktiga parametrar som flöden och TMP. Slam togs från en MBR i fullskala och vid försöken användes ett syntetiskt avloppsvatten.

Proceduren för isolering av AHL-nedbrytande stammar gjordes enligt referenser från litteraturen. Immobilisering av QQ cellerna gjordes i kulor av alginat. Alginatkulor utan QQ celler skapades även för användning som kontroll. Vald QQ stam tillhörde släktet Lactobacillus. Isolerade QQ stammar bestämdes med hjälp av PCR förstärkning med 16S rDNA genprimer och deras förmåga att bryta ned AHL testades.   

Försöken utfördes under två perioder, där den första var en kontrollperiod med tillsats av alginatkulor utan QQ celler och där den andra var en försöksperiod med tillsats av QQ celler. Kritiskt flux bestämdes genom en stegmetod. EPS och SMP extraherades och innehållet av proteiner och polysackarider analyserades.

Resultat

Fyra bakteriestammar kunde isoleras från uttaget slam från en MBR-anläggning och tre av dem kunde bryta ned AHL. En av stammarna Lactobacillus sp. SBR04MA kunde bryta ned AHL fullständigt och denna stam användes vid försöket.

För att belysa effekten av QQ på igensättning av membranen användes kritiskt flux som indikator. Vid försökens början uppgick det kritiska fluxet till 8,3 l/m²/h vid båda perioderna. Efter tillsats av alginatkulor utan QQ-celler (kontrollperioden) var det kritiska fluxet konstant under 15 dygn. Det noterades att alginatkulorna slogs sönder efter dag 7 i pumpen mellan luftnings- och membrantank. Dag 15 ökade TMP mycket kraftigt vid det högsta fluxet (24,25 l/m²/h) på grund av en irreversibel igensättning av porerna i membranet.

Under QQ perioden var det kritiska fluxet konstant under en vecka och det konstaterades även att alginatkulorna slogs sönder, vilket resulterade i att Lactobacillus frigjordes gradvis till slammet. Frigöringen av celler medförde emellertid att det kritiska fluxet ökade successivt och uppgick till 24,25 l/m²/h efter 20 dygn (det högsta fluxet) med stabilt lågt TMP. Det konstaterades att Lactobacillus inte utkonkurrerades av mikrofloran i slammet.

Extraktion av EPS och SMP för bestämning av innehållet av proteiner och kolhydrater visade att halterna var lägre under QQ-perioden jämfört med kontrollperioden. Minskningen av proteinfraktionen i SMP uppgick till omkring 50 % och i EPS till mellan 20 och 30 % i slammet och samtidigt minskade kolhydratfraktionen i SMP och EPS med omkring 50 %. För att bekräfta minskningen av igensättning i porer av SMP analyserades halten i utgående vatten och det konstaterades att QQ minskade igensättningen signifikant.

Undersökningar av slammet genom mikroskopering visade att en reduktion av EPS påverkade balansen mellan flockformande bakterier och filament främst genom att andelen flockformande bakterier minskade.

Studien indikerade att något medium för immobilisering inte erfordrades, vilket avviker från resultaten i andra studier med andra bakteriestammar. Om det är möjligt att utnyttja QQ-stammar som en fri suspension i slammet blir metoden blir synnerligen kostnadseffektiv. För praktisk tillämpning av tekniken erfordras ytterligare försök med avloppsvatten.

Slutsatser

Konroll av igensättningen av membranen i en MBR-process genom Quorum Quenching (QQ) visade att

Källa: I.D. Kampouris, P.D. Karayannakidis, D.C. Banti, D. Sakoula, D. Konstantinidis, M. Yiangou, P.E. Samaras. Evaluation of a novel quorum quenching strain for MBR biofouling mitigation. Water Research 143 (2018), pp 56 – 65.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.