Modelling of aerobic biodegradation of phenol by Stenotrophomonas maltophilia KB2 strain

• Autorzy: Szczyrba E. , Szczotka A. , Bartelmus G.

Identyfikatory

DOI

10.2429/proc.2016.10(1)057

Warianty tytułu

PL

Modelowanie tlenowej biodegradacji fenolu przez szczep Stenotrophomonas maltophilia KB2

• Konferencja: ECOpole’16 Conference (5-8.10.2016, Zakopane, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The microbial degradation of phenol by Stenotrophomonas maltophilia KB2 strain was studied. The purpose of experiments was to determine optimal environmental conditions for bacterial growth and to develop equation describing both the rate of cell growth and biodegradation rate of phenol. Microbial growth tests in the presence of phenol as the sole carbon and energy source were conducted in batch reactor for different initial concentration of the degraded compound changed in the range of 25-500 g·m–3. The kinetic experiments were performed in optimal environmental conditions (30ºC, pH 7). The Haldane inhibitory model with the values of constants: μm = 0.9 h–1, Ks = 48.97 g·m–3, Ki = 256.12 g·m–3 predicted the experimental data with the best accuracy. The obtained data-base made it possible also to determine the values of biomass yield coefficient, (YXS)obs = 0.614, and the endogenous decay coefficient, kd = 0.05 h–1.

PL

Przedmiotem badań była kinetyka biodegradacji fenolu przez bakterie Stenotrophomonas maltophilia KB2. Szczep ten został wyizolowany z osadu czynnego oczyszczalni ścieków komunalnych w Bytomiu-Miechowicach i jest obecnie przechowywany w kolekcji VTT (Finlandia) pod numerem E-113137. Eksperymenty kinetyczne prowadzono w reaktorze okresowym, zmieniając w kolejnych eksperymentach stężenie fenolu, który był dla testowanego szczepu jedynym źródłem węgla i energii, w zakresie 25-500 g·m–3. Testy kinetyczne poprzedzone zostały serią hodowli prowadzonych w zmiennych warunkach środowiskowych (5 ≤ pH ≥ 8; 22ºC ≤ t ≥ 42ºC; początkowe stężenie biomasy 22-92 gdcw·m–3) w celu określenia warunków hodowli najkorzystniejszych dla wzrostu stosowanych mikroorganizmów. Były to: pH 7, t = 30ºC, początkowe stężenie biomasy ~61,3 gdcw·m–3 i przy takich wartościach testowanych parametrów przeprowadzono wszystkie eksperymenty kinetyczne. Testy kinetyczne wykazały, że dla początkowych stężeń fenolu w roztworze większych od ~100 g·m–3 zaczyna być widoczny inhibitujący wpływ substratu na wzrost mikroorganizmów. Zatem, do opisu kinetyki wzrostu szczepu KB2 na fenolu wybrano model Haldane. Parametry tego równania wyestymowano w oparciu o własną bazę danych eksperymentalnych. Są to: μm = 0,9 h–1; Ks = 48,97 g·m–3, Ki = 256,12 g·m–3. Opracowane równanie kinetyczne przybliża dane eksperymentalne ze średnim błędem procentowym nieprzekraczającym 5% (R2 = 0,95). Przeprowadzone testy pozwoliły również na wyznaczenie średniej wartości współczynnika wydajności biomasy ((Yxs)obs = 0,614), który umożliwia transformację zależności opisującej szybkość wzrostu mikroorganizmów w równanie opisujące szybkość biodegradacji fenolu. Wyznaczony został również współczynnik endogennego zamierania, kd = 0,05 h–1, którego wartość jest niezbędna przy modelowaniu układów kometabolicznych, w których fenol jest substratem wzrostowym. Badania wykazały, że szczep Stenotrophomonas maltophilia KB2 jest dobrym materiałem do zastosowań przemysłowych (krótka faza zastoju, duża aktywność biodegradacyjna, optymalna szybkość wzrostu osiągana przy stosunkowo dużych stężeniach fenolu w roztworze).

Słowa kluczowe

EN

phenol; biodegradation; batch culture; kinetics

PL

fenol; biodegradacja; hodowla okresowa; równanie kinetyczne

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Proceedings of ECOpole
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 10, No. 2
• Strony: 533--543
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., wykr., tab.

Twórcy

autor

Szczyrba E.

• Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland, phone [phone]

autor

Szczotka A.

• Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland, phone [phone]

autor

Bartelmus G.

• Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland, phone [phone]

Bibliografia

• [1] Krastanov A, Alexieieva Z, Yemendzhiev H. Eng Life Sci. 2013;13:76-87. DOI: 10.1002/elsc.201100227.
• [2] Zhang Y, Lu D, Ju T, Wang L, Lin S, Zhao Y, Wang C, et al. Int J Electochem Sci. 2013;8:504-519.
• [3] Djokic L, Biocanin M, Saljnikov E, Casey E, Vasiljevic B, Nikodinovic-Runic J. Appl Soil Ecol. 2013;7:1-8. DOI: 10.1016/j.apsoil.2013.04.002.
• [4] Kumar A, Kumar S, Kumar S. Biochem Eng J. 2005;22:151-159. DOI: 10.1016/j.bej.2004.09.006.
• [5] Essam T, Amin MA, El Tayeb O, Mattiasson B, Guieysse B. J Hazard Mater. 2010;173:783-788. DOI:10.1016/j.jhazmat.2009.09.006.
• [6] Saravanan P, Pakshirajan K, Saha P. Bioresour Technol. 2007;99:205-209.
• [7] Sridevi V, Chandana Lakshami VVM, Adimadhyam SVN, Medicherla NR. Adv Biosci Biotechnol. 2011;2:175-181. DOI: 10.4236/abb.2011.24028.
• [8] Monteiro AMG, Boaventura RAR, Rodrigues AE. Biochem Eng J. 2000;6:45-49. DOI: 10.1016/S1369-703X(00)00072-3.
• [9] Agarry SE, Solomon BO. Int J Environ Sci Technol. 2008;5: 223-232. DOI: 10.1007/BF03326016.
• [10] Hank D, Saidani N, Namane A, Hellal A. J Eng Sci Technol Rev. 2010;3(1):123-127.
• [11] Arutchelvan V, Kanakasabai V, Elangovan R, Nagarajan S, Muralikrishnan V. J Hazard Mater. 2006;129:216-222. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.08.040.
• [12] Feitkenhauer H, Schnicke S, Müller R, Märkl H. J Biotechnol. 2003;103:129-135. DOI: 10.1016/S0168-1656(03)00105-6.
• [13] Khleifat KM. Process Biochem. 2006;41:2010-2016. DOI: 10.1016/j.procbio.2006.04.015.
• [14] Naresh B, Honey P, Vaishali S. I Res J Environ Sci. 2012;1(1)46-49.
• [15] Jiang Y, Wen J, Bai J, Jia X, Hu Z. J Hazard Mater. 2007;147:672-676. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.05.031.
• [16] Aravinhan R, Naveen N, Anand G, Raghava Rao J, Unni Nair B. Appl Ecol Env Res. 2014;12(3):615-625. DOI: 10.15666/aeer/1203_615625.
• [17] Liu J, Jia X, Wen J, Zhou Z. Biochem Eng J. 2012;67:156-166. DOI: 10.1016/j.bej.2012.06.008.
• [18] Hussain A, Dubey SK, Kumar V. Water Resour Industry. 2015;11,81-90. DOI: 10.1016/j.wri.2015.05.002.
• [19] Wojcieszynska D, Gren I, Labuzek S, Respondek M. Biotechnologia. 2007;2(77)181-191.
• [20] Guzik U, Gren I, Wojcieszynska D, Labuzek S. Braz J Microbiol. 2009;40:285-291. DOI: 10.1590/S1517-83822009000200014.
• [21] Wojcieszynska D, Gren I, Hupert-Kocurek K, Guzik U. Acta Biochim Pol. 2011;58(3)421-426.
• [22] Gren I, Wojcieszynska D, Guzik U, Perkosz M, Hupert-Kocurek K. World J Microbiol Biotechnol. 2010;26:289-295. DOI: 10.1007/s11274-009-0172-6.
• [23] Reshma JK., Mathew A. In. J Sci Nat. 2014;5(3) 366-387.
• [24] Singh S, Singh BB, Chandra R. Pol J Microbiol. 2009;58:319-325.
• [25] Wang SJ, Loh KC. Enzyme Microb Technol. 1999;25:177-184. DOI: 10.1016/S0141-0229(99)00060-5.
• [26] Li Y, Li J, Wang C, Wang P. Bioresour Technol. 2010;101:6740-6744.
• [27] Senthilvelan T, Kanagaraj J. Clean Technol Environ. 2014;16,113-126. DOI: 10.1007/s10098-013-0598-2.
• [28] Nuhoglu A, Yalcin B. Process Biochem. 2005;40,1233-1239. DOI: 10.1016/j.procbio.2004.04.003.
• [29] Bajaj M, Gallert C, Winter J. Biochem Eng J. 2009;46:205-209. DOI: 10.1016/j.bej.2009.05.021.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.