Vandekerckhove, T.G.L., Bodé, S., De Mulder, C., Vlaeminck, S.E., Boon, N. (2019). 13C Incorporation as a Tool to Estimate Biomass Yields in Thermophilic and Mesophilic Nitrifying Communities. Frontiers in Microbiology 10, 192. (link)

 

Título

13C Incorporation as a Tool to Estimate Biomass Yields in Thermophilic and Mesophilic Nitrifying Communities

(Incorporação de 13C como Ferramenta para Estimar Rendimentos de Biomassa em Comunidades Nitrificantes Termófilas e Mesófilas)

 

Resumo

Current methods determining biomass yield require sophisticated sensors for in situ measurements or multiple steady-state reactor runs. Determining the yield of specific groups of organisms in mixed cultures in a fast and easy manner remains challenging. This study describes a fast method to estimate the maximum biomass yield (Ymax), based on 13C incorporation during activity measurements. It was applied to mixed cultures containing ammonia oxidizing bacteria (AOB) or archaea (AOA) and nitrite oxidizing bacteria (NOB), grown under mesophilic (15–28∘C) and thermophilic (50∘C) conditions. Using this method, no distinction could be made between AOB and AOA co-existing in a community. A slight overestimation of the nitrifier biomass due to 13C redirection via SMP to heterotrophs could occur, meaning that this method determines the carbon fixation activity of the autotrophic microorganisms rather than the actual nitrifier biomass yield. Thermophilic AOA yields exceeded mesophilic AOB yields (0.22 vs. 0.06–0.11 g VSS g-1 N), possibly linked to a more efficient pathway for CO2 incorporation. NOB thermophilically produced less biomass (0.025–0.028 vs. 0.048–0.051 g VSS g-1 N), conceivably attributed to higher maintenance requirement, rendering less energy available for biomass synthesis. Interestingly, thermophilic nitrification yield was higher than its mesophilic counterpart, due to the dominance of AOA over AOB at higher temperatures. An instant temperature increase impacted the mesophilic AOB yield, corroborating the effect of maintenance requirement on production capacity. Model simulations of two realistic nitrification/denitrification plants were robust toward changing nitrifier yield in predicting effluent ammonium concentrations, whereas sludge composition was impacted. Summarized, a fast, precise and easily executable method was developed determining Ymax of ammonia and nitrite oxidizers in mixed communities.

 

TRADUÇÃO LIVRE

Os métodos atuais que determinam o rendimento de biomassa requerem sensores sofisticados para medições in situ ou várias execuções de reator em estado estacionário. Determinar o rendimento de grupos específicos de organismos em culturas mistas de maneira rápida e fácil continua sendo um desafio. Este estudo descreve um método rápido para estimar o rendimento máximo de biomassa (Y max ), baseado na incorporação de 13 C durante as medições de atividade. Foi aplicado a culturas mistas contendo bactérias oxidantes de amônia (AOB) ou archaea (AOA) e bactérias oxidantes de nitrito (NOB), cultivadas em condições mesófilas (15–28∘C) e termofílicas (50∘C). Usando este método, nenhuma distinção pode ser feita entre AOB e AOA coexistindo em uma comunidade. Uma ligeira superestimação da biomassa nitrificante devido a 13O redirecionamento de C via SMP para heterotróficos pode ocorrer, o que significa que esse método determina a atividade de fixação de carbono dos microorganismos autotróficos, em vez do rendimento real da biomassa do nitrificador. Os rendimentos de AOA termofílicos excederam os rendimentos de AOB mesófilos (0,22 vs. 0,06–0,11 g VSS g -1 N), possivelmente ligados a uma via mais eficiente para a incorporação de CO 2 . NOB termofilicamente produziu menos biomassa (0,025–0,028 vs. 0,048–0,051 g VSS g -1N), possivelmente atribuído ao maior requisito de manutenção, tornando menos energia disponível para a síntese de biomassa. Curiosamente, o rendimento da nitrificação termofílica foi maior do que sua contraparte mesófila, devido à predominância de AOA sobre AOB em temperaturas mais altas. Um aumento instantâneo de temperatura impactou o rendimento de AOB mesofílico, corroborando o efeito da exigência de mantença na capacidade de produção. As simulações do modelo de duas plantas realistas de nitrificação/desnitrificação foram robustas para alterar o rendimento do nitrificador na previsão das concentrações de amônio no efluente, enquanto a composição do lodo foi impactada. Resumindo, um método rápido, preciso e de fácil execução foi desenvolvido determinando Y max de oxidantes de amônia e nitrito em comunidades mistas.

 

Artigo publicado no site Frontiers, na seção Frontiers in Microbiology.