En sammanställning från flera forskare över biofilmekologi, dess analysverktyg, biofilmreaktorer och modeller har genomförts. Mest har analysverktygen utvecklats.
Av: Jörgen Hanaeus
Biofilmer är komplexa biostrukturer som uppstår på alla ytor som reguljärt står i kontakt med vatten. De är komplexa och dynamiska system med inslag av primitiva flercelliga organismer och mångskiftande ekosystem som användes vid behandling av dricksvatten och kommunalt och industriellt avloppsvatten. Biofilmer kan även vara störande och svara för igensättning av ytor på t ex membran och fartygssidor.
Den genomförda sammanställningen har delats upp i erfarenheter avseende 1) biofilmekologi, 2) biofilms reaktorteknologi och 3) biofilmmodellering. Nya vägar för metabolism i processer, såsom anammoxförlopp och fullständig ammoniumoxidation har först upptäckts i biofilmer. Analysverktygen för biofilmekologi har utvecklats påtagligt, men för kopplingen till reaktorer och modellering återstår ännu mycket att göra.
Artikeln
En biofilm består prokaryota celler och andra mikroorganismer så som jäst, svampar och protozoer som bidrar med ett skyddande slemskikt. Biofilmer visar gott motstånd mot traditionell desinfektion. Biofilmen är alltså ett gott skydd för prokaryota cellers långsiktiga överlevnad och expansion i varierande livsmiljöer.
Biofilmer kan även ha en negativ inverkan på tekniska system. Exempel är beläggning av skeppssidor, av väggar till dricksvattenledningar och igensättning av membranfilter. Patogena bakteriers biofilm kan ge svårare sjukdomsbehandling.
Indelning sker här i
- biofilmekologi
- biofilmers reaktorteknologi
- modellering av biofilm.
Biofilmekologi är här studium av komponenter och processer som är aktiva i biofilmen. Biofilmreaktorers teknologi omfattar den design, drift och optimering av bioreaktorer som är väsentlig för att kontrollerat kunna nyttja biofilmen. Biofilm modellering är utveckling och tillämpning av olika beräkningsbara ansatser för att kunna simulera, förutsäga eller samordna de processer som sker i biofilmer och i biofilmreaktorer.
Termen biofilm avser de mikrober och tillhörande avsättningar på en yta på en yta som finns inbäddade i en matris av EPS (extracellulär polymer substans). Den bredare termen biofilmsystem innefattar också det underlag, substrat, på vilket filmen är uppbyggd och även det medium som rör sig över biofilmen. Här återges forskning och trender i utvecklingen av biofilmer.
Biofilmekologi
En uppsättning metoder har utvecklats för att individuellt eller i samverkan kunna ge en bild av biofilmers ekologi.
Hit hör den kvantitativa polymeraskedjereaktionen qPCR, fluorescerande in situ hybridisering FISH, avancerad tvådimensionell mikroskopi samt kemiska sensorer i mikroskala. Dessa metoder har gett en tydligare bild av biofilmen innefattande både cellmaterial och dess omsättningsprodukter.
qPCR i kombination med mikrodissekering har medgett kvantifiering av sekvenser av funktionella grupper i biofilmer.
FISH är en teknik som som bygger på en hybridisering av en fluorescensmärkt DNAprobe som informerar om en bakteries 16SrRNA. Fylogenetiskt skilda bakteriegrupper kan visualiseras samtidigt genom strategiskt val av DNAprober och i kombination med konfokal laserskannande mikroskopi (CLSM) ge en relativ lokalisering i biofilmen. Sålunda har CLSM, transmissionselektronmikroskop och transmissionsröntgenmikroskop använts för att kartera fördelningen av makromolekylära komponenter såsom polysackarider, proteiner, lipider och nukleinsyror med associerade EPS-matriser.
På senare tid har optisk koherenstomografi använts för att visualisera en detaljerad struktur i biofilmen och konfokal Ramanspektroskopi har fungerat för att finna kemiska heterogeniteter i densamma.
Cell-till-cellsignalering har föreslagits vara involverad i utveckling av Pseudomonas aeruginosabiofilm. Kväveoxid, NO, fungerar som kemisk budbärare.
Anammoxprocessen upptäcktes i en pilotreaktor med denitrifikation i en fluidiserad bädd och har sedan utvecklats till ett kostnadseffektivt verktyg.
Reaktorer
Beträffande biofilmreaktorer nämns MBBR och IFAS, liksom membranbaserade biofilmreaktorer (MBfRs) och granulära processer.
MBBR och IFAS använder fritt rörliga bärare belagda med biofilm och kan användas för oxidation av kolmaterial, nitrifikation, denitrifikation och deammonifikation. Globalt bedöms det finnas mer än 1200 fullskaliga enheter >200 pe med rörligt bärarmaterial, % -fördelade ca 75/25 på MBBR/IFAS. Av MBBR:s < 200 pe finns troligen fler än 7000. Europa dominerar.
AnitaMOX-systemet vid Sjölunda nämns.
Beträffande system med granulär biomassa (SBR-baserade) finns fler än 25 avloppsverk, aktiva eller under byggnad. Alla har biologisk närsaltsreduktion och det största finns i Rio med 55 000 m3/d. En process: NEREDA (Nederländerna) nämns också bland granulära system med biologisk närsaltreduktion. Vidare anses den flexibla MBfR-reaktorn ha potential. Där introduceras gas (syre.Väte provas.) via membran (rör eller platta) och biofilmen växer direkt på dessa.
Kommersiellt tillgängliga system för aeroba MBfR finns i USA och Nordirland (Zeelung- resp. OxyMem-processen).
Bland ytterligare biofilmtillämpningar nämns SANI och DEAMOX, som har anaerob miljö och kan vara ett alternativ för selen-reduktion vid dricksvattenrening.
Modellering
Endimensionella biofilmmodeller har presenterats 2009 (Wanner et al), men sedan har utvecklingen gått långsammare. Flerdimensionella modeller utvecklas, men särskilt den hydrodynamiska delen (t ex mellan rörlig bärare och omgivande fluidum) är svår att forcera i byggandet av ett ingenjörsverktyg.
Slutsatser
Utvecklingen av analysmetoder för biofilmekologi har accelererat med DNA-teknologier. Fortfarande är det ett gap mellan förståelsen av biofilmens innehåll och kunskapen om optimal reaktorutformning.
Stora verk kan redan idag dra nytta av den ekologiska forskningen, medan mindre verk ännu behöver mer kunskap om optimala reaktorutformningar.
Källa: Boltz, J.1), Smets, B.2), Rittman, B.3), van Loosdrecht, M.4), Morgenroth, E.5) and Daigger, G.6) (2017): From biofilm ecology to reactors: a focused review. Water Science & Technology 2017, 75.8, pp 1753-1760
Författarna från:
1) Volkert, inc, 3809 Moffett Road, Mobile, AL 36618, USA
2) Department of Environmental Engineering, Technical University of Denmark, Miljövej 113, 2800 Kgs, Lyngby, Danmark.
3) Swette Center for Environmental Biotechnology, Biodesign Institute at Arizona State University, P.O. Box 875701, Tempe, AZ 85287-5701, USA.
4) Department of Biotechnology, Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology, Van der Maas weg 9, 2629 HZ Delft, Nederländerna.
5) ETH Zürich, Institute of Environmental Engineering, 8093 Zürich, Schweiz och
Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, 8600 Dübendorf, Schweiz.
6) University of Michigan, 1351 Beal Ave, MI 48109, USA.
Kontakt: gdaigger@umich.edu
