Μαθηματική προσομοίωση αλληλεπίδρασης μετάλλων - μικροοργανισμών σε βιολογικούς αντιδραστήρες πλανκτονικής και ακινητοποιημένης βιομάζας

Abstract

The function of microorganisms in nature and biological reactors is well known. Microbial metabolism of organic molecules (biomineralisation), has been used traditionally to produce fermented products in food industry, drugs in pharmaceutical industry, and decontaminate wastewaters in municipal wastewater treatment plants. Today, after the bloom of the tools of molecular biology and genetic engineering, microorganisms have been used in many other applications such as in leaching minerals (bioleaching), remediation of contaminated sited (bioremediation) etc. Metal ions in elevated concentrations act as growth inhibitors or are toxic to the cells. However, microorganisms have an important role in the cycle of the elements in nature and are responsible for the mobilization and immobilization of the elements on the earth crust. Models for carbon, nitrogen and phosphorus removal in biological reactors, and especially in activated sludge units of wastewater treatment plants, have been developed successfully during the last decades (ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3). Commercial software has been developed on the basis of these models (e.g. GPS-X, Asim, Simba, EFOR, West, Biowin, etc). The mechanisms of interaction between metal ions and microorganisms are also well understood today. Phenomena such as biosorption (i.e. sorption of metal ions by biomass), bioprecipitation (i.e. precipitation of metal ions as insoluble species induced by biomass metabolism) and biotransformations (i.e. biological reduction - oxidation or alkylation of metal ions by biomass), have been studied extensively in laboratory and pilot scale. However, limited work has been done to include these phenomena in large-scale models applied in nature or in the design of biological reactors when metal ions are present. This extended abstract outlines the frame of the work carried out by our Laboratory in the area of mathematical modelling of microorganisms - metals interaction. In our approach we have tried to combine the principles of different areas such as microbiology, chemistry and chemical engineering to develop an integrated modeling environment where the corresponding phenomena can be studied. Microorganisms play an important role in our model by implementing different groups. At this stage, chemotrophic microorganisms are considered because they are very common in many industrial applications. These microorganisms are divided in our model in two different groups: (i) autotrophs and (ii) heterotrophs. According to our model, autotrophic microorganisms grow by fixing dissolved carbon dioxide (CO2 (aq)) in the form of bicarbonates (HCO3-) and obtain energy by oxidation of ammonium ions (NH4+) to nitrates (NO3-) with oxygen as electron acceptor. Heterotrophic microorganisms grow on a common organic substrate (CxHyOzNw-chrg), which is also the electron donor source, and are divided according to the final electron acceptor utilized. Three groups are distinguished: (i) heterotrophic aerobes with oxygen as electron acceptor (ii) denitrifiers with nitrate as electron acceptor, and (iii) sulphate reducing bacteria (SRB) with sulphate as electron acceptor. Ammonium or nitrate can be used alternatively as nitrogen source for biomass production. A key component of our model concerns the consumption of C-source, N-source, and electron acceptor as well as the production of new biomass and simple metabolic products (i.e. HCO3-, HS-). The stoichiometry of microbial metabolism is estimated according to the principles of bioenergetics by using only black box information. The model also includes the kinetic equations for: (i) cell growth (ii) cell death (iii) cell lysis by including the appropriate mixed type Monod equations, which accommodate the growth limiting substrate, the nitrogen source, the electron acceptor, as well as product and metal inhibition terms.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να συνδυάσει βασικές αρχές της χημικής μηχανικής, της χημείας, της βιοτεχνολογίας, της μικροβιολογίας και της βιογεωχημείας προκειμένου να ποσοτικοποιήσει και να περιγράψει με μαθηματικά πρότυπα τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης μετάλλων - μικροοργανισμών είτε στο φυσικό περιβάλλον είτε σε ελεγχόμενα συστήματα βιοαντιδραστήρων με σκοπό τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου υγρών αποβλήτων που φέρουν μεταλλική φόρτιση. Στην παρούσα διατριβή μελετάται σε λεπτομέρεια κυρίως η τεχνολογικά ενδιαφέρουσα περίπτωση της ανάπτυξης των μικροοργανισμών με τη μορφή της ακινητοποιημένης βιομάζας, η οποία θέτει μια ακόμη διάσταση στο σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων: Αυτής της χωροχρονικής στρωμάτωσης των μικροβιακών ειδών, μέσω διαδικασιών συμβίωσης, ανταγωνισμού κλπ. Στο πρότυπο που αναπτύχθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνονται χειμότροφα βακτήρια καθώς αυτού του είδους οι μικροοργανισμοί είναι οι πλέον συνηθέστεροι σε βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα συμπεριλαμβάνονται αυτότροφοι και ετερότροφοι μικροοργανισμοί. Οι αυτότροφοι μικροοργανισμοί δεσμεύουν το διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα με την μορφή των όξινων ανθρακικών ιόντων προκειμένου να παράγουν κυτταρική μάζα με ταυτόχρονη οξείδωση των αμμωνιακών ιόντων προς νιτρικά ιόντα. Αντίστοιχα οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί οξειδώνουν την οργανική ύλη που χρησιμοποιείται και ως πηγή άνθρακα προκειμένου να παράγουν κυτταρική μάζα και ενέργεια. Τρεις μεγάλες κατηγορίες ετερότροφων μικροοργανισμών συμπεριλαμβάνονται στο πρότυπο: (α) ετερότροφοι αερόβιοι μικροοργανισμοί με δέκτη ηλεκτρονίων το οξυγόνο και πηγή αζώτου τα αμμωνιακά ή νιτρικά ιόντα, (β) ετερότροφοι απονιτροποιητικοί μικροοργανισμοί με δέκτη ηλεκτρονίων τα νιτρικά ιόντα και πηγή αζώτου τα αμμωνιακά ή νιτρικά ιόντα, και (γ) ετερότροφοι θειοαναγωγικοί μικροοργανισμοί με δέκτη ηλεκτρονίων τα θειικά ιόντα και πηγή αζώτου τα αμμωνιακά ιόντα. Σημαντικό χαρακτηριστικό του προτύπου που αναπτύχθηκε είναι η πρόβλεψη της στοιχειομετρίας της αντίδρασης μεταβολισμού για την παραγωγή κυτταρικής βιομάζας μέσω της μεταβολικής αντίδρασης μετασχηματισμού της οργανικής ύλης του δέκτη ηλεκτρονίων και της πηγής του αζώτου σε απλούστερα μόρια όπως π.χ. HCO3-, HS-. Από πλευράς βιολογικών διεργασιών το πρότυπο περιλαμβάνει κινητικές εκφράσεις για την ανάπτυξη, τη νέκρωση και τη λύση των μικροοργανισμών με τροποποιημένες εξισώσεις τύπου Monod, που περιλαμβάνουν τις συγκεντρώσεις του περιοριστικού παράγοντα, του δέκτη ηλεκτρονίων, της πηγής αζώτου και ενδεχόμενων περιοριστικών παραγόντων στην ανάπτυξη των κυττάρων όπως οι υψηλές συγκεντρώσεις μεταλλικών ιόντων. Το πρότυπο περιλαμβάνει επίσης εκφράσεις σχετικά με την επίδραση του pH και της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Το πρότυπο συμπληρώνεται με τις κατάλληλες χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν την ισορροπία μεταξύ των βασικότερων χημικών ειδών που βρίσκονται στο περιβάλλον των κυττάρων.