Changes in the methanogenic populat

Changes in the methanogenic population and major methanogenic pathway were examined during start-up of a full-scale anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) treating swine waste (Angenent et al., 2002). It was observed that after the increase in total ammonia concentration during the start-up process, acetate degradation increased; however the acetoclastic methanogens population decreased based on 16S ribosomal RNA (rRNA) concentrations.
Karakashev et al. (2005) studied the influence of environmental parameters on the diversity of methanogenic communities in 15 full-scale biogas plants treating either manure or sludge as substrates under different conditions. The findings of this study indicated that in plants operating in the mesophilic range, where the free ammonia concentration was lower than in thermophilic plants, the diversity of the methanogenic population was broader. Dominance of the acetoclastic phylogenetic group Methanosaetaceae was observed in digesters fed with sludge (ammonia concentration at 0.03-0.3 g N l-1). However, Methanosaetaceae was never found to be dominant in digesters treating manure (ammonia concentration at 2.1-6.1 g N l-1). The authors reported that the inoculum type and loading rate did not affect the diversity of methanogens in biogas reactors, but the concentrations of ammonia and VFA were influential.
The consequences of the change in methanogenic pathway for the apparent behaviour and maintenance strategies of the anaerobic digestion process are significant. Under normal, uninhibited conditions, 70% of methanogenesis is attributed to the acetoclastic route and only 30% of methane is formed via the hydrogenotrophic route (Jeris and McCarty, 1965, Gujer and Zehnder., 1983). During anaerobic digestion, hydrogenotrophic methanogens play a crucial role to keep the hydrogen partial pressure low enough to make it thermodynamically possible for propionate and butyrate to be converted into the methanogenic substrates acetate and hydrogen (Wolin and Miller, 1982). According to Gujer and Zehnder (1983), the hydrogen partial pressure should be maintained under 10-4 bar (0.1 kPa) in order to sustain a healthy digestion process; furthermore hydrogen partial pressure is the parameter that most promptly indicates a disturbance in the digestion process. Therefore if the digestion has been inhibited by ammonia and methanogenesis is reliant solely on the hydrogenotrophic pathway, any further disturbance to methanogenesis would cause accumulation of hydrogen which subsequently results in thermodynamic blockage of propionate degradation in a timescale of a second (Koster and Koomen 1988); whereas acetoclastic blockage affects anaerobic digestion by reducing pH, which normally takes about 1 day (Gujer and Zehnder, 1983). This could very likely be the reason why anaerobic digesters treating nitrogen-rich substrate such as food waste, are prone to rapid and irreversible operational failure (Neiva Correia et al., 2008; Banks and Zhang, 2010).
The above review of ammonia toxicity has established that acetoclastic methanogens are inhibited at high ammonia concentrations and that this inhibition threshold is lower than that for hydrogenotrophic methanogens, in both thermophilic and mesophilic digesters. It is therefore likely that at the high ammonia concentrations reached in food waste digestion the acetoclastic methanogenic population will be lost or severely inhibited, and the direct formation of methane and carbon dioxide by cleaving of acetic acid would then be no longer possible. For the autotrophic methanogens to continue to operate under these conditions the acetic acid must first be converted to hydrogen and carbon dioxide. If this happens the process of methane production does not stop, only the route through which it forms changes; but current literature on ammonia toxicity does not offer any good explanation as to why these systems are likely to run at elevated VFA concentrations.
2.5.2 Long Chain Fatty Acids
Long chain fatty acid (LCFAs) are hydrolysis products of fats and oils and can be degraded through anaerobic digestion process; however, LCFAs are acknowledged to be inhibitory to anaerobic process (Hanaki et al., 1981). In fact, the inhibitory effect of long-chain fatty acids means they have been widely applied as food preservatives and dietary supplements for ruminants to suppress methane production (Angelidaki and Ahring, 1992). The low degradation rates of LCFAs and their inhibitory effects are major problems in the development of suitable anaerobic treatment systems for municipal solid waste with high lipid content such as food waste.
Long-chain fatty acids have been reported to be inhibitory at low concentrations for gram¬positive microorganisms (Sheu and Freese, 1973). The toxicity of LCFA has been attributed to their amphiphilic properties that allow them to be easily adsorbed onto a microbial surface, therefore impeding the passage of essential nutrients through the cell membrane (Henderson, 1973; Huw et al. 1998; Alves, 2001; Pereira et al., 2005). Gram-negative microorganisms are far less sensitive to LCFA, however, due to the intact lipopolysaccharide layer of the cell envelop which prevents LCFA accumulating on the inner cell membrane, (Sheu and Freese, 1973).
There is some debate concerning the concentrations at which LCFA become inhibitory, and this may also depend on the digester operating mode and degree of acclimatisation. In batch experiments with granular sludge in which Methanosaeta spp. are the predominant acetoclastic methanogens, Koster and Cramer (1987) showed the maximum specific acetoclastic methanogenic activity had been reduced to 50% at concentrations of 0.32, 0.68, 0.45, 0.59 and 0.97 g l-1 for lauric, oleic, capric, myristic and caprylic acids respectively. The study concluded that the inhibition was correlated with concentration rather than with the amount per unit of biomass, although adsorption of the inhibitor on the cell wall might play an important role in the mechanism of inhibition. Also synergism of LCFAs can be expected to enhance the inhibition of methanogenesis.

Kết quả (Việt) 1:

Những thay đổi trong dân số sinh và con đường lớn sinh đã được kiểm tra trong thời gian khởi động của một quy mô đầy đủ trình tự kỵ khí lô lò phản ứng (ASBR) điều trị chất thải lợn (Angenent et al., 2002). Nó được quan sát thấy rằng sau sự gia tăng nồng độ tất cả amoniac trong tiến trình khởi động, axetat suy thoái tăng; Tuy nhiên acetoclastic loài sinh metan dân giảm ngày 16 RNA ribosome (rARN) nồng độ.Karakashev et al. (2005) nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tham số về sự đa dạng trong cộng đồng sinh 15 nhà máy khí sinh học quy mô đầy đủ điều trị phân hoặc bùn như chất dưới điều kiện khác nhau. Những phát hiện của nghiên cứu này chỉ ra rằng trong các nhà máy hoạt động trong phạm vi hay, nơi tập trung miễn phí amoniac là thấp hơn trong các nhà máy nhiệt, sự đa dạng dân sinh đã rộng hơn. Sự thống trị của đội phát sinh loài acetoclastic Methanosaetaceae được quan sát thấy trong digesters cho ăn với bùn (amoniac tập trung tại 0,03-0.3 g N l-1). Tuy nhiên, Methanosaetaceae không bao giờ tìm thấy được chi phối trong digesters điều trị phân (amoniac tập trung tại 2.1-6.1 g N l-1). Các tác giả báo cáo rằng tỷ lệ loại và tải của inoculum đã không ảnh hưởng đến sự đa dạng của các loài sinh metan trong khí sinh học lò phản ứng, nhưng nồng độ của amoniac và phi đội VFA đã có ảnh hưởng.Hậu quả của sự thay đổi trong sinh con đường cho các hành vi rõ ràng và bảo trì các chiến lược của quá trình tiêu hóa kị khí là rất lớn. Trong điều kiện bình thường, bỏ hoang, 70% của methanogenesis là do các tuyến đường acetoclastic và chỉ có 30% methane được thành lập thông qua các tuyến đường hydrogenotrophic (Jeris và McCarty, 1965, Gujer và Zehnder., 1983). Trong quá trình tiêu hóa kị khí, hydrogenotrophic loài sinh metan đóng một vai trò rất quan trọng để giữ cho áp suất thành phần hiđrô thấp, đủ để làm cho nó thermodynamically có thể cho propionate và butyrate được cải biến thành sinh chất axetat và hiđrô (Wolin và Miller, 1982). Theo Gujer và Zehnder (1983), áp suất thành phần hiđrô nên được duy trì theo 10-4 bar (cách 0.1 kPa) để duy trì một quá trình tiêu hóa lành mạnh; hơn nữa, áp suất thành phần hiđrô là tham số đặt nhanh chóng chỉ ra một xáo trộn trong quá trình tiêu hóa. Do đó nếu tiêu hóa có được ức chế bởi amoniac và methanogenesis là phụ thuộc hoàn toàn vào con đường hydrogenotrophic, bất kỳ sự xáo trộn thêm để methanogenesis sẽ gây ra sự tích tụ của hiđrô mà sau đó kết quả trong các tắc nghẽn thăng giáng nhiệt propionate suy thoái trong một mặt trăng của một thứ hai (Koster và Koomen năm 1988); trong khi acetoclastic tắc nghẽn ảnh hưởng đến kỵ khí tiêu hóa bằng cách giảm độ pH, thường kéo dài khoảng 1 ngày (Gujer và Zehnder, 1983). Điều này có thể rất có thể là lý do tại sao kỵ khí digesters điều trị nitơ giàu chất nền như chất thải thực phẩm, dễ bị thất bại nhanh chóng và không thể đảo ngược hoạt động (Neiva Correia et al., năm 2008; Ngân hàng và Zhang, 2010).Việc xem xét ở trên của ngộ độc amoniac đã thành lập acetoclastic loài sinh metan ức chế ở nồng độ cao amoniac và ngưỡng sự ức chế này là thấp hơn cho hydrogenotrophic loài sinh metan, trong cả hai tính chất ưa nhiệt và hay digesters. Do đó có thể tại amoniac cao nồng độ đạt tiêu hóa chất thải thực phẩm acetoclastic sinh dân sẽ được mất hoặc bị ức chế, và sự hình thành trực tiếp của methane và carbon dioxide bởi cleaving của axit axetic sau đó sẽ không còn có thể. Cho các loài sinh metan thực để tiếp tục hoạt động theo những điều kiện axit axetic đầu tiên phải được chuyển đổi sang hydro và carbon dioxide. Nếu điều này xảy ra quá trình sản xuất metan không dừng lại, chỉ là con đường mà qua đó nó tạo thay đổi; nhưng các văn học hiện tại về ngộ độc amoniac không cung cấp bất kỳ lời giải thích tốt như lý do tại sao các hệ thống này có khả năng chạy ở cao VFA nồng độ.2.5.2 axit béo chuỗi dàiDài chuỗi axit béo (LCFAs) là thủy phân sản phẩm của chất béo và dầu và có thể được suy thoái thông qua quá trình tiêu hóa kị khí; Tuy nhiên, LCFAs được công nhận là ức chế quá trình kỵ khí (Hanaki và ctv., 1981). Trong thực tế, ức chế tác dụng của axit béo chuỗi dài có nghĩa là họ đã được áp dụng rộng rãi như là chất bảo quản thực phẩm và chế độ ăn uống bổ sung cho động vật nhai lại để ngăn chặn sản xuất mêtan (Angelidaki và Ahring, 1992). Các mức giá thấp xuống cấp của LCFAs và các hiệu ứng ức chế là vấn đề lớn trong việc phát triển của hệ thống phù hợp kỵ khí xử lý chất thải rắn municipal với nội dung chất béo cao như chất thải thực phẩm.Axit béo chuỗi dài đã được báo cáo là ức chế ở nồng độ thấp cho vi sinh vật gram¬positive (Sheu và Freese, 1973). Độc tính của LCFA đã được quy cho tài sản của họ amphiphilic cho phép họ dễ dàng được adsorbed vào một bề mặt vi khuẩn, do đó ngăn cản các đoạn văn của chất dinh dưỡng cần thiết thông qua màng tế bào (Henderson, 1973; Huw et al. 1998; Alves, năm 2001; Pereira et al., 2005). Vi sinh vật vi khuẩn rất ít nhạy cảm với LCFA, Tuy nhiên, do lipopolysaccharide còn nguyên vẹn lớp của các tế bào phong bì mà ngăn chặn LCFA tích lũy trên màng tế bào bên trong, (Sheu và Freese, 1973).Có một số cuộc tranh luận liên quan đến nồng độ lúc mà LCFA trở thành ức chế, và điều này cũng có thể phụ thuộc vào digester hoạt động chế độ và mức độ acclimatisation. Trong hàng loạt các thí nghiệm với hạt bùn trong đó Methanosaeta spp. là các loài sinh metan chiếm ưu thế acetoclastic, Koster và Cramer (1987) cho thấy các hoạt động sinh tối đa cụ thể acetoclastic đã được giảm đến 50% nồng độ của 0,32, 0,68, 0,45, 0,59 và 0,97 g l-1 cho lauric, oleic, capric, myristic và caprylic axit tương ứng. Nghiên cứu kết luận rằng sự ức chế là tương quan với nồng độ chứ không phải với số tiền cho mỗi đơn vị của nhiên liệu sinh học, mặc dù hấp phụ của chất ức chế vào tế bào có thể đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế của sự ức chế. Cũng synergism của LCFAs có thể được dự kiến để tăng cường sự ức chế của methanogenesis.

Kết quả (Việt) 2:

Những thay đổi về dân số vi sinh methanogenic và con đường vi sinh methanogenic chính đã được kiểm tra trong quá trình khởi động của quy mô đầy đủ hàng loạt kỵ khí sequencing lò phản ứng (ASBR) xử lý chất thải lợn (Angenent et al., 2002). Nó đã được quan sát thấy rằng sau khi mức tăng tổng nồng độ amoniac trong quá trình khởi động, suy thoái acetate tăng; Tuy nhiên methanogens acetoclastic dân số giảm dựa trên 16S RNA ribosome (rRNA) nồng độ.
Karakashev et al. (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số môi trường về sự đa dạng của các cộng đồng vi sinh methanogenic trong 15 nhà máy khí sinh học quy mô toàn điều trị hoặc phân hữu cơ hay bùn làm chất nền dưới các điều kiện khác nhau. Những phát hiện của nghiên cứu này chỉ ra rằng trong các nhà máy hoạt động trong phạm vi mesophilic, nơi tập trung ammonia tự do thấp hơn ở thực vật ưa nhiệt, sự đa dạng của các dân vi sinh methanogenic đã được rộng hơn. Sự thống trị của các nhóm phát sinh loài acetoclastic Methanosaetaceae đã được quan sát thấy trong nồi nấu ăn với bùn (nồng độ amoniac tại 0,03-0,3 g N l-1). Tuy nhiên, Methanosaetaceae đã bao giờ tìm thấy được ưu thế trong hầm xử lý (nồng độ amoniac ở 2,1-6,1 g N l-1) phân. Các tác giả cho rằng các loại chất tiêm chủng và tải tốc độ không ảnh hưởng đến sự đa dạng của methanogen trong lò phản ứng khí sinh học, nhưng nồng độ amoniac và VFA nhiều ảnh hưởng.
Các hậu quả của sự thay đổi trong con đường vi sinh methanogenic cho các chiến lược hành vi và bảo trì rõ ràng của quá trình tiêu hóa yếm khí quá trình là rất lớn. Trong các điều kiện không có giới hạn bình thường, 70% các khí methan là do các tuyến đường acetoclastic và chỉ có 30% khí mê tan được hình thành thông qua các tuyến đường hydrogenotrophic (Jeris và McCarty, 1965, Gujer và Zehnder., 1983). Trong quá trình tiêu hóa yếm khí, methanogen hydrogenotrophic đóng một vai trò rất quan trọng để giữ hydro áp suất riêng phần thấp, đủ để làm cho nó có thể cho nhiệt động propionate và butyrate được chuyển đổi thành các chất axetat và hydrogen vi sinh methanogenic (Wolin và Miller, 1982). Theo Gujer và Zehnder (1983), áp suất riêng phần hydro nên được duy trì dưới 10-4 bar (0.1 kPa) để duy trì một quá trình tiêu hóa khỏe mạnh; Hơn nữa hydro áp suất riêng phần là các tham số đó kịp thời nhất cho thấy một sự xáo trộn trong quá trình tiêu hóa. Do đó, nếu quá trình tiêu hóa đã được ức chế bởi amoniac và khí methan là phụ thuộc hoàn toàn vào con đường hydrogenotrophic, bất kỳ sự xáo trộn hơn nữa để khí methan sẽ gây tích tụ hydrogen sau đó làm tắc nghẽn nhiệt động của suy thoái propionate trong một khoảng thời gian của một giây (Koster và Koomen 1988) ; trong khi tắc nghẽn acetoclastic ảnh hưởng đến tiêu hóa kỵ khí bằng cách giảm độ pH, thường mất khoảng 1 ngày (Gujer và Zehnder, 1983). Điều này rất có khả năng có thể là lý do tại sao phân hủy kỵ khí xử lý nitơ giàu chất nền là chất thải thực phẩm, nguy cơ thất bại hoạt động nhanh chóng và không thể đảo ngược (Neiva Correia et al, 2008;. Các ngân hàng và Zhang, 2010).
Việc xem xét trên đây của độc amoniac đã thành lập mà methanogen acetoclastic bị ức chế ở nồng độ amoniac cao và ngưỡng ức chế này là thấp hơn so với methanogen hydrogenotrophic, trong cả hai phân hủy ưa nhiệt và mesophilic. Đó là lý do vì sao ở các nồng độ amoniac cao đạt được trong quá trình tiêu hóa thức ăn thừa dân số vi sinh methanogenic acetoclastic sẽ bị mất hoặc bị ức chế, và sự hình thành trực tiếp của khí methane và carbon dioxide bằng cách tách các axit acetic sau đó sẽ không còn có thể. Đối với methanogens tự dưỡng để tiếp tục hoạt động dưới những điều kiện acid acetic trước tiên phải được chuyển đổi thành hydrogen và carbon dioxide. Nếu điều này xảy ra quá trình methane sản xuất không ngừng, chỉ có con đường mà qua đó nó tạo sự thay đổi; nhưng văn học hiện nay về độ độc amoniac không cung cấp bất kỳ lời giải thích tốt là tại sao các hệ thống này có khả năng chạy ở nồng độ VFA cao.
2.5.2 Xích Long axit béo
chuỗi dài axit béo (LCFAs) là sản phẩm thủy phân của chất béo và các loại dầu và có thể thoái hoá qua quá trình tiêu hóa yếm khí; Tuy nhiên, LCFAs được công nhận là ức chế quá trình kỵ khí (Hanaki et al, 1981.). Trong thực tế, tác dụng ức chế các axit béo chuỗi dài có nghĩa là họ đã được áp dụng rộng rãi như là chất bảo quản thực phẩm bổ sung dinh dưỡng cho gia súc nhai lại để ngăn chặn sản xuất methane (Angelidaki và Ahring, 1992). Mức suy giảm thấp LCFAs và tác dụng ức chế của họ là vấn đề quan trọng trong sự phát triển của hệ thống xử lý kỵ khí thích hợp cho chất thải rắn đô thị với hàm lượng lipid cao như chất thải thực phẩm.
Axit béo dài chuỗi đã được báo cáo là ức chế ở nồng độ thấp cho gram vi sinh vật ¬positive (Sheu và Freese, 1973). Độc tính của LCFA đã được quy cho tính amphiphilic của họ cho phép họ dễ dàng được hấp phụ lên bề mặt của vi sinh vật, do đó cản trở sự di chuyển của các chất dinh dưỡng cần thiết thông qua màng tế bào (Henderson, 1973; Huw et al 1998;. Alves, 2001; Pereira et al., 2005). Vi sinh vật gram âm là ít nhạy cảm với LCFA, tuy nhiên, do lớp lipopolysaccharide còn nguyên vẹn của các phong bì tế bào, giúp ngăn chặn LCFA tích tụ trên màng tế bào bên trong, (Sheu và Freese, 1973).
Có một số cuộc tranh luận liên quan đến nồng độ mà tại đó LCFA trở nên ức chế, và điều này cũng có thể phụ thuộc vào chế độ vận hành nồi nấu và mức độ quen với khí hậu. Trong các thí nghiệm hàng loạt với bùn hạt trong đó Methanosaeta spp. là methanogens acetoclastic chiếm ưu thế, Koster và Cramer (1987) cho thấy các hoạt động vi sinh methanogenic acetoclastic cụ thể tối đa đã được giảm xuống còn 50% ở nồng độ 0,32, 0,68, 0,45, 0,59 và 0,97 g l-1 cho lauric, oleic, capric, myristic và Axit caprylic tương ứng. Nghiên cứu kết luận rằng sự ức chế có tương quan với nồng độ chứ không phải là với số lượng trên một đơn vị sinh khối, mặc dù khả năng hấp thụ của chất ức chế trong thành tế bào có thể đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế ức chế. Ngoài ra sự đồng bộ của LCFAs có thể được dự kiến sẽ tăng cường sự ức chế của khí methan.