Разработка сульфидогенных шлам из морских отложений и уменьшению трихлорэтилена в одеяло реактора с восходящим потоком анаэробного ила
Summary
Microbial sulfate reduction is a process of great importance in environmental biotechnology. The success of the sulfidogenic reactors depends among other factors on the microbial composition of the sludge. Here, we present a protocol to develop sulfidogenic sludge from hydrothermal vents sediments in a UASB reactor for reductive dechlorination purposes.
Abstract
The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate reduction is used in industrial wastewater treatment to remove large concentrations of sulfate along with the chemical oxygen demand (COD) and heavy metals. The most common approach to the process is with anaerobic bioreactors in which sulfidogenic sludge is obtained through adaptation of predominantly methanogenic granular sludge to sulfidogenesis. This process may take a long time and does not always eliminate the competition for substrate due to the presence of methanogens in the sludge. In this work, we propose a novel approach to obtain sulfidogenic sludge in which hydrothermal vents sediments are the original source of microorganisms. The microbial community developed in the presence of sulfate and volatile fatty acids is wide enough to sustain sulfate reduction over a long period of time without exhibiting inhibition due to sulfide.
This protocol describes the procedure to generate the sludge from the sediments in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) type of reactor. Furthermore, the protocol presents the procedure to demonstrate the capability of the sludge to remove by reductive dechlorination a model of a highly toxic organic pollutant such as trichloroethylene (TCE). The protocol is divided in three stages: (1) the formation of the sludge and the determination of its sulfate reducing activity in the UASB, (2) the experiment to remove the TCE by the sludge, and (3) the identification of microorganisms in the sludge after the TCE reduction. Although in this case the sediments were taken from a site located in Mexico, the generation of a sulfidogenic sludge by using this procedure may work if a different source of sediments is taken since marine sediments are a natural pool of microorganisms that may be enriched in sulfate reducing bacteria.
Introduction
Одним из наиболее важных вкладов в окружающей биотехнологии была конструкции биореакторов, в котором шлам использовали (инокулята) смог выполнить в соответствии с серопонижающих условиях. Сульфатредукция (SR) позволяет обрабатывать потоков сточных вод, содержащих высокие концентрации сульфата в дополнение к одновременным удалением ХПК, тяжелых металлов и органических загрязнителей, в том, что делает SR желательной характеристикой шлама 1. Некоторые примеры стоков, загрязненных сульфата приходят из кожевенных, бумажных, фармацевтической и химической отраслях обрабатывающей промышленности 1. Тем не менее, в большинстве литературы относится к сульфидогенных шлама при метаногенных гранулированного осадка была адаптирована к sulfidogenesis 2. Эта адаптация обычно достигается путем манипулирования ХПК / SO 4 2- соотношение в биореакторе и добавления химических веществ ингибировать метаногены в иле 2,3. В дополнение к длительного времени, что Mау требует формирования сульфидогенных гранул, конкуренция между метаногенами и сульфатных восстановителей и толерантности ила высоких концентраций сульфида некоторые из основных проблем, которые могут возникнуть, если сульфидогенных шлама используется в биореакторе получают из адаптации преимущественно метаногенных осадка сульфат восстановительных условиях. В этой работе мы описываем процедуру получения преимущественно сульфидогенных шлама из гидротермальных жерл осадков (Punta Mita, Наярит, Мексика) в восходящим анаэробного ила реактора (UASB), то мы оцениваем ее серопонижающих деятельность в течение долгого времени, и провести эксперимент чтобы оценить его заявление о восстановительного дехлорирования. Расположение отложений был выбран потому, что было сообщено, что в этом месте происходит образование сульфидов за счет снижения активности сульфата проявляемой микробного сообщества, обитающих этом конкретном месте 4.
Есть разорватьаль преимущества в получении этой сульфидогенных шлама из осадков в течение адаптации метаногенные гранулированный осадок, чтобы sulfidogenesis. Некоторые из этих преимуществ: (1) нет необходимости, чтобы сформировать гранулы для биореактор в эксплуатации, (2) шлам терпит относительно высокие концентрации сульфида по сравнению с другими UASB, которые работают с адаптированной метаногенного ила, и (3) есть нет конкуренции за субстрат с метаногенами даже если ацетат, используемых в смеси летучих жирных кислот, которые включены в культуральную среду, чтобы способствовать образованию осадка.
Эта процедура последовало способствовать sulfidogenesis потому морские отложения являются естественным пул широкого спектра микроорганизмов, таких как бактерии серопонижающих, ферментации бактерии и бактерии дегалогенирование это лишь несколько 5,6. Тип консорциума разработана из морских отложений с помощью этого протокола может проявлять эффективность в сульфатредукции и поэтому, высокий с ulfate снижения активности в течение долгого времени и более высокую устойчивость к сульфида в концентрациях выше, чем сообщалось в токсичен для метаногенами и сульфатных бактерий. С другой стороны, вполне вероятно, что способность дегалогенирующего также показано в осадках, следуя протокол, предложенный здесь, но это может зависеть от исходного микробного сообщества. Это предположение делается на основании того факта, что восстановительное дехлорирование может происходить либо при дыхании или cometabolism, оба условия, которые могут быть способствовали в морской микробного сообщества 7. Культивирование отложений, чтобы получить шлам был проведен с использованием смеси ацетат, пропионат, бутират и в качестве субстрата, потому что эти летучие жирные кислоты используются несколько штаммов бактерий серопонижающих. Эти кислоты также тип соединений углерода часто встречается в морских отложениях, по мнению ряда отчетов в литературе на углеродистого материала в морских отложениях 5,6.
Содержание "> Наконец, некоторые из наиболее токсичных соединений, которые находятся в подземных и другие водоемы по всему миру являются хлорированные растворители, такие как трихлорэтилен (TCE) или перхлорэтилена (PCE). Эти соединения являются токсичными не только для человека, но также микроорганизмов, особенно ТВК, которая до сих пор считается приоритетным загрязнителем Агентством по охране окружающей среды в США 8. В этой работе мы предложили эксперимент, в котором сульфидогенных осадка проверяется на его способности снижать ТВК в концентрациях, которые находятся в Диапазон сообщалось хлорированные соединения биодеградации метаногенных условиях 9,10. Стоит отметить, что большинство исследований по биодеградации хлорированных соединений было проведено метаногенных условиях 9,10. Мы считаем, что эксперимент с ТВК предложил в этом протоколе является Хорошим примером потенциальных применений ила. Целью этого эксперимента было электроннойvaluate допуск шлама к TCE и TCE влияния на сульфате восстанавливающей активностью. Принимая во внимание, что большинство исследований по биодеградации хлорированных соединений осуществляется метаногенных условиях, этот протокол предполагает формирование осадка могут быть использованы одновременно: (1) удалени сульфата, (2) удалить трески и (3) удалить хлорированные соединения. Следующим шагом может быть, чтобы оценить шлама на одновременным удалением ТВК и тяжелых металлов (в дополнение к сульфату и ХПК), два условия, которые не могут быть оценены метаногенных условиях.Protocol
Representative Results
Discussion
Есть несколько применения sulfidogenesis в окружающей биотехнологии, один из наиболее часто используемых приложений метаболизма серопонижающих бактерий в консорциумы с брожения бактерий в очистке сточных вод. UASB реакторы являются одними из основных инженерных подходов к промышленной очис…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful for the financial support provided by Instituto Politécnico Nacional grants 20120110, 20130399 and 20140239 SIP and also by Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal Mexico (PICS 08-79, ICYT-DF, 2009-2012). Thanks also to CONACYT – Mexico for the graduate scholarship (225806) awarded to Selene Montserrat García-Solares and for the financial support provided by grant 82627.
Materials
| trichloroethylene | sigma Aldrich | 251402 | |
| cis- 1,2 dichlorotehylene | sigma Aldrich | ||
| trans-1,2 dichloroethylene | sigma Aldrich | D-62209 | |
| vinyl chloride scotty standard | supelco | 1000 ppm v/v in nitrogen | |
| ethene scotty standard | supelco | 99% purity | |
| pump | Masterflex | Model 7553-75 | |
| spectrophotometer | any | ||
| microcentrifuge | any | ||
| gas tight syringes | any | 100 and 200 microliters | |
| UASB glass reactor | any | under design | |
| gas chromatograph | any | FID detector | |
| capillary column SPB-624 | supelco | ||
| pH meter | any | ||
| viton tubing | Masterflex | ||
| basal medium reagents | any | ||
| trace metals reagents | any | ||
| vitamins solution reagents | any | ||
| sodium sulfate | any | ||
| volatile fatty acids | any | ||
| COD determination kit | HACH | range 0-15000 mg/L | |
| TOPO-TA cloning kit pCR®4.0 | Invitrogen, US | ||
| S.N.A.P. TM Miniprep Kit | Invitrogen, UK | ||
| Pure link TM Quick Plasmid Miniprep kit | Invitrogen |
References
- Lens, P., Esposito, M. V. G., Zandvoort, M. Perspectives of sulfate reducing bioreactors in environmental biotechnology. ReViews Environmental Science and Biotechnology. 1 (4), 311-325 (2002).
- Omil, F., Lens, P., Hulshoff, P., Lettinga, G. Characterization of biomass from a sulfidogenic, volatile fatty acid-degrading granular sludge reactor. Enzyme and MicrobialTechnology. 20, 229-236 (1997).
- Lopes, S. I. C., Wang, X., Capela, M. I., Lens, P. N. L. Sulfate reduction during the acidification of sucrose at pH 5 under thermophilic (55 °C) conditions.II: Effect of sulfide and COD/SO4-2 ratio. Bioresource Technology. 101, 4278-4284 (2010).
- Alfonso, P., Prol-Ledesma, R. M., Canet, C., Melgarejo, J. C., Fallick, A. E. Sulfur isotope geochemistry of the submarine hydrothermal coastal vents of Punta Mita, Mexico. Journal of Geochemical Exploration. 78-79, 301-304 (2003).
- Valdemarsen, T., Kristensen, E. Degradation of dissolved organic monomers and short chain fatty acids in sandy marine sediment by fermentation and sulfate reduction. Geochimica et Cosmochimica Acta. 74, 1593-1605 (2010).
- Quistad, S. D., Valentine, D. L. Anaerobic propane oxidation in marine hydrocarbon seep sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, 2159-2169 (2011).
- Futagami, T., Morono, Y., Terada, T., Kaksonen, A. H., Inagaki, F. Dehalogenation activities and distribution of reductive dehalogenase homologous genes in marine subsurface sediments. Applied and Environmental Microbiology. 75 (21), 6905-6909 (2009).
- U.S. Environmental Protection Agency. List of priority pollutants. Clean Water Methods. , (2014).
- Ozdemir, C., Dursun, S., Karatas, M., Sen, N., Sahinkaya, S. Removal of trichloroethylene (TCE) in upFlow anaerobic sludge blanket reactors (UASB). Biotechnology and Biotechnological Equipment. 21 (1), 107-112 (2007).
- Zhang, Y., Wang, X., Hu, M., Li, P. Effect of hydraulic retention time (HRT) on the biodegradation of trichloroethylene wastewater and anaerobic bacterial community in the UASB reactor. Applied Microbiology and Biotechnology. 99, 1977-1987 (2015).
- . . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- Guerrero-Barajas, C., et al. Enhanced sulfate reduction and trichloroethylene (TCE) biodegradation in a UASB reactor operated with sludge developed from hydrothermal vents sediments: process and microbial ecology. International Biodeterioration and Biodegradation. 94, 182-191 (2014).
- Trüper, H. G., Schlegel, H. G. Sulphur metabolism in Thiorhodaceae I. Quantitative measurements on growing cells of Chromatium okenii. Antoine van Leeuwenhoek. 30, 225-238 (1964).
- Gallegos-García, M. G. . Biological processes of sulfate reduction in biofilms for metals precipitation [Ph D thesis]. , (2009).
- Guerrero-Barajas, C., Garibay-Orijel, C., Rosas-Rocha, L. E. Sulfate reduction and trichloroethylene biodegradation by a marine microbial community from hydrothermal vents sediments. International Biodeterioration and Biodegradation. 65, 116-123 (2011).
