Characterization of floc-forming and fast-sedimenting microalgae-bacteria consortia in bioremediation
The microalgae-bacteria consortia (MBC) described here can be used for cost-efficient and continuous production of biomass in a chemostatic bioreactor. In order to obtain its characteristic sedimentation behavior, it is necessary to repeatedly select environmental samples for floc-forming and fast-sedimenting structures by gravitation. Comparative studies with unialgal cultures have been conducted, which have revealed exceptional sinking properties of the MBC. The predominant species was found to be dependent on the cultivation substrate while the sinking properties remained useful for bioreactor application. Furthermore, the manipulation of (a)biotic parameters demonstrated that floc aggregation can serve as a protective layer against extreme environmental conditions. It is known that extracellular polymeric substances (EPS) play a role in particle aggregation in marine snow and wastewater sludge. The flocculation process of the MBC was found to be driven by a biofilm matrix consisting mainly of proteins and polysaccharides. This was further demonstrated by an induced disaggregation with sonication and heat which resulted in rapid reflocculation unless subsequently inhibited by either an antibiotic or an enzymatic treatment. Moreover, the extracted EPS can function as a flocculant for the non-flocculating microalgae C. vulgaris. The sinking properties were significantly enhanced, which emphasized the importance of these substances in the floc-forming and sedimentation process. In conclusion, the investigations provided new insights into MBC and their potential in water treatment. As a next step, verifying the laboratory results in large-scale bioreactors can potentially facilitate the commercial biomass production.
Die hier beschriebenen Mikroalgen-Bakterien Konsortien (MBC) können für eine kostengünstige und kontinuierliche Produktion von Biomasse in einem chemostatischen Bioreaktor verwendet werden. Um das charakteristische Sedimentationsverhalten zu erreichen, ist es erforderlich, natürliche Umweltproben wiederholt auf flockenbildende und schnell sedimentierende Strukturen zu selektieren. Es wurden vergleichende Studien mit unialgalen Kulturen durchgeführt, die außergewöhnliche Sinkfähigkeiten der MBC ergaben. Die vorherrschende Art variierte in Abhängigkeit vom Substrat, während die Sinkeigenschaften für die Bioreaktoranwendung erhalten blieben. Außerdem konnte durch die Manipulation von (a)biotischen Parametern gezeigt werden, dass die Flockenaggregation als Schutzschicht gegen extreme Umweltbedingungen dienen kann. Es ist bekannt, dass extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) eine Rolle bei der Partikelaggregation im marine snow sowie in Klärschlamm spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Flokkulationsprozess der MBC durch eine Biofilmmatrix gesteuert wird, die hauptsächlich aus Proteinen und Polysacchariden besteht. Eine durch Ultraschall und Hitze induzierte Disaggregation führte zu einer schnellen Reaggregation, sofern diese nicht durch eine nachfolgende antibiotische oder enzymatische Behandlung gehemmt wurde. Die extrahierten EPS konnten weiter als Flockungsmittel für die nicht-flokkulierende Mikroalge C. vulgaris fungieren und damit die Sinkeigenschaften verbessern, was die Bedeutung dieser Substanzen für den Flockenbildungs- und Sedimentationsprozess unterstreicht. Die Untersuchungen lieferten neue Einblicke in MBC und deren Wasserreinigungspotenzial. Eine Verifizierung der Laborergebnisse durch Untersuchungen in großtechnischen Bioreaktoren könnte in Zukunft die kommerzielle Biomasseproduktion erheblich erleichtern.
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