Magnetite-modified biocarrier for anaerobic digestion of propionate

Abstract

Anaerobic digestion technology treats organic wastewater while simultaneously producing biogas, primarily methane. This process is a biological wastewater treatment technology based on the growth and metabolic reactions of complex microbial communities, consisting of bacteria and methanogen. Compared to aerobic digestion, anaerobic digestion has advantages in terms of lower sludge production and operational costs, as well as energy recovery through biogas. Anaerobic digestion involves four stages: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis, each driven by bacteria and methanogens. Acidogenic bacteria, with faster growth rates than methanogens, can create an imbalance between the production and consumption of organic acids, potentially leading to the accumulation of propionate, which is thermodynamically challenging to degrade. Accumulated propionate can lower the pH of the system, inhibiting anaerobic bacteria and methanogens, thereby reducing the process efficiency in terms of biogas production and organic matter degradation. In severe cases, it may result in process failure. Therefore, to maintain stable anaerobic digestion operations, it is necessary to prevent propionate accumulation and rapidly convert accumulated propionate to methane to normalize the anaerobic digestion process. Magnetite, an iron oxide with semiconductive properties, has been reported to improve the degradation of volatile fatty acids (VFAs) such as propionate and accelerate biogas production by facilitating direct interspecies electron transfer (DIET) between anaerobic microorganisms when added in particle form. Iron-reducing bacteria (IRB) utilize Fe(III) from magnetite as an electron acceptor, reducing it to Fe(II) during the oxidation of propionate and other VFAs. The resulting Fe(II) is subsequently reoxidized to Fe(III) by methanogens, creating a cyclic conversion that allows magnetite to continuously mediate electron transfer among microbial communities. However, when magnetite particle is directly added to continuous anaerobic digestion systems for treating organic wastewater, it may be lost with the effluent, necessitating continuous addition. Loss of materials due to effluent discharge also unavoidably affects the retention of essential microorganisms in anaerobic digestion, which is critical for achieving efficient treatment. The rapid degradation of organic matter and methane production rate are directly related to microbial numbers within the system, making it essential to prevent biomass washout and preserve microbial communities, especially in high-rate continuous anaerobic digestion processes. In this study, we investigated the effects of a magnetite-modified biocarrier on the anaerobic digestion of propionate. To achieve this, (1) a PDMS-based Magnetite modified Biocarrier (PMB) was developed by immobilizing magnetite onto Polydimethylsiloxane (PDMS). (2) To evaluate the effect of PMB addition on methane production in anaerobic digestion of propionate, PMB was applied in an anaerobic sequential batch test. (3) The key microbial communities were identified under these conditions through next generation sequencing analysis. To develop PMB, PDMS and magnetite were mixed in specific ratios (0, 15, 30, 45, 60, 80, and 90%), and pores were formed using sugar to create a porous biocarrier. The hydrophobicity of PDMS was modified to hydrophilicity by treating it with a KOH/ethanol solution. Through these steps, PMBs with a magnetite content of 0–60% (PMB0–PMB60) were successfully fabricated. SEM images confirmed the presence of pores in PMB, And contact angle measurements verified the hydrophilic modification. PMBs were added to an anaerobic sequential batch reactor using propionate as a substrate, and methane production rates were calculated for each reactor (CO: control, CM: 20 mmol/L magnetite, M0-M60: PMB0–PMB60). Methane production rates improved by 24.3%, 24.7%, 9.3%, and 26.4% (in the 5th batch) in M15–M60 compared to CO, respectively. The dominant bacterial species in reactors with PMBs were Syntrophobacterium (31.2–50.1%), Comamonas (11.3–18.2%), Peptoclostridium (7.5–12.5%), Thermovirga (2.9–10.3%), F_Anaerolineaceae (3.4–8.3%), and Mesotoga (3.7–6.0%). Among archaea, approximately 99.4% were methanogens, with dominant species including Methanothrix harundinacea (53.4–79.2%), Methanosphaerula palustris (5.9–32.0%), and Methanoculleus bourgensis (10.5–28.7%). This study successfully developed a novel biocarrier, PMB, applicable to anaerobic digestion processes. By applying PMB to the anaerobic digestion of propionate, it was confirmed that PMB can enhance methane production from propionate degradation. Microbial analysis identified the key microbial communities involved when PMB was applied to propionate anaerobic digestion. These findings indicate that PMB can be utilized as a method to improve process efficiency and methane production rate, and it is expected to be applicable for enhancing the process efficiency and stability of continuous anaerobic digestion in future applications.|혐기성 소화 기술은 유기성 폐수를 처리함과 동시에 메탄으로 구성된 바이오가스를 생산하는 기술로, 복합적인 미생물의 생장 및 대사반응에 기반한 생물학적 유기성 폐수 처리 기술이다. 혐기성 소화 공정은 박테리아와 고세균인 메탄생성균에 의해 이루어진다. 혐기성 소화는 호기성 소화 기술 대비 슬러지 생산량과 운영 비용이 적고 바이오가스를 통해 에너지를 회수할 수 있다는 이점이 있다. 혐기성 소화는 가수분해, 산생성, 아세트산 생성, 메탄 생성의 4 단계를 포함한다. 각각의 반응은 박테리아와 메탄생성균에 의해 이루어진다. 산생성균은 메탄생성균에 비해 상대적으로 생장속도가 빨라 공정 내 유기산 생성 및 소비에 대한 불균형이 초래될 수 있다. 이에 따라 열역학적으로 분해가 어려운 프로피온산이 축적될 수 있다. 프로피온산의 축적은 공정 내 pH 강하를 유발하여 혐기성 박테리아 및 메탄생성균에 저해를 주어 바이오가스 생산량 및 유기물 처리율과 같은 공정 효율을 감소시키고, 심할 경우 공정의 실패로 이어질 수 있다. 따라서 혐기성 소화 공정의 안정적 운영을 위해서는 프로피온산의 축적을 예방하고, 프로피온산 축적 시 빠른 속도로 메탄으로 전환하여 혐기성 소화 공정을 정상화시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다. Magnetite 는 철 산화물로 반전도성 특징을 띄어 혐기성 소화 공정에 가루 형태로 투입 시 혐기성 미생물 간의 종간직접전자전달(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET)을 촉진시켜 프로피온산과 같은 휘발성 유기산의 분해 및 바이오가스 생산속도를 개선하는데 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 또한 철환원박테리아는 마그네타이트의 Fe(Ⅲ)을 Fe(Ⅱ)로 환원시키며 프로피온산을 산화시킨다. 이 과정에서 발생하는 Fe(Ⅱ)은 메탄생성균에 의해 다시 Fe(Ⅲ)로 산화되며 순환한다. 따라서 마그네타이트는 미생물 간의 전자 전달을 지속적으로 매개할 수 있다. 다만, 유기성 폐수를 처리하는 연속식 혐기성 소화 공정에 Magnetite 가루를 직접적으로 투입할 경우, 투입된 Magnetite 가루는 연속식 공정 운영 과정에서 유출수와 함께 손실되므로 지속적인 추가 투입이 필요하다. 공정 운영 중 손실로 인한 문제는 혐기성 소화의 목표를 달성하는데 중요한 역할을 하는 미생물에서도 불가피하다. 빠른 유기물 처리 및 메탄 생산 속도는 공정 내 미생물의 수와 직접적인 관련이 있기 때문에 고율 연속식 혐기성 소화 공정(High-rate continuous anaerobic digestion process)에서는 미생물의 유실을 방지하고 바이오매스를 보존하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 프로피온산의 혐기성 소화를 개선시키기 위한 방안으로 Polydimethylsiloxane (PDMS)에 마그네타이트를 고정한 새로운 생물담체인 PMB (PDMS based Magneitite modified Biocarrier)를 개발하였으며, 프로피온산을 분해하는 혐기성 소화 반응기에 PMB 를 투입해주어 프로피온산의 혐기성 소화에 대한 개선 영향을 실험적으로 평가하였다. 또한 차세대염기서열분석을 통해 PMB 적용에 따른 개선 영향에 주요한 역할을 하는 미생물 군집을 판별하였다. PMB 를 개발하기 위해 PDMS 과 magnetite 를 일정 비율(0, 15, 30, 45, 60, 80, and 90%)로 혼합하였다. PMB 를 다공성 담체로 만들기 위해 설탕을 이용하여 기공을 형성하였다. 또한, PMB 의 기반 물질인 PDMS 의 소수성을 친수성으로 개질하고자 KOH/ethanol 용액에 반응시켰다. 이러한 과정으로 통해 마그네타이트 함량이 0-60%인 PMB(PMB0-PMB60)가 성공적으로 제조되었다. SEM 이미지를 통해 PMB 에 형성된 기공을 확인하였고, 접촉각 측정을 통해 PMB 가 친수성으로 개질되었음을 확인하였다. 프로피온산을 기질로 하는 혐기성 연속 회분식에 PMB 를 첨가하여 각 반응기의 메탄 생산 속도를 계산하였다(CO: control, CM: 20 mmol/L magnetite, M0-M60: PMB0-PMB60). 메탄 생산 속도는 CO 대비 M15-M60 에서 각각 24.3%, 24.7%, 9.3%, and 26.4%(5 번째 배치 기준) 개선되었다. PMB 를 넣은 반응기에서 우점하게 나타나는 박테리아는 Syntrophobacterium (31.2–50.1%), Comamonas (11.3–18.2%), Peptoclostridium (7.5–12.5%), Thermovirga (2.9–10.3%), F_Anaerolineaceae (3.4–8.3%), and Mesotoga (3.7–6.0%)였다. 고세균 중에서는 약 99.4%가 메탄생성균으로 확인되었으며, 우점하는 메탄생성균은 Methanothrix harundinacea (53.4–79.2%), Methanosphaerula palustris (5.9–32.0%), and Methanoculleus bourgensis (10.5–28.7%)로 나타났다. 본 연구를 통해 혐기성 소화 공정에 적용 가능한 새로운 생물담체인 PMB 를 성공적으로 개발하였다. 프로피온산의 혐기성 소화에 이를 적용함으로써 PMB 가 프로피온산의 메탄 생성 분해를 개선할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 미생물 분석을 통해 PMB 를 프로피온산의 혐기성 소화에 적용했을 때의 주요 미생물 군집을 식별하였다. 본 연구 결과를 통해 PMB 를 공정 효율 및 메탄 생산 속도를 개선할 수 있는 방법으로 활용 가능함을 확인하였으며, 추후 연속식 혐기성 소화의 공정 효율 및 안정성 개선에도 적용 가능할 것으로 기대된다.