Sviluppo di Sulfidogenic fanghi da Marine Sedimenti e Tricloroetilene Riduzione in una coperta reattore Upflow anaerobica dei fanghi
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
Uno dei contributi più importanti alla biotecnologia ambientale è stata la progettazione di bioreattori in cui il fanghi utilizzati (inoculo) era in grado di eseguire in condizioni solfato riducendo. Riduzione solfato (SR) consente il trattamento dei flussi di acque reflue che contengono elevate concentrazioni di solfato oltre alla rimozione simultanea di COD, metalli pesanti e inquinanti organici, un fatto che rende una caratteristica desiderabile SR dei fanghi 1. Alcuni esempi di effluenti contaminati con solfato provengono da conceria, carta, farmaceutico e manifatturiero industrie chimiche 1. Tuttavia, la maggior parte della letteratura si riferisce a sulfidogenic fanghi quando metanogenica fango granulare è stata adattata per sulfidogenesis 2. Questo adattamento è comunemente ottenuto manipolando il COD / SO 4 2- rapporto nel bioreattore e aggiunta di prodotti chimici per inibire methanogens del 2,3 fanghi. In aggiunta al tempo che may richiedere la formazione di granuli sulfidogenic, la competizione tra methanogens e riduttori di solfato e la tolleranza del fango ad alte concentrazioni di solfuro sono alcuni dei problemi principali che possono insorgere se l'fanghi sulfidogenic utilizzato nel bioreattore è ottenuto dall'adattamento di prevalentemente fanghi metanogenica di solfato condizioni riducenti. In questo lavoro, si descrive la procedura per ottenere un fango prevalentemente sulfidogenic da sorgenti idrotermali sedimenti (Punta Mita, Nayarit, Messico) in un anaerobico reattore fanghi coperta flusso verso l'alto (UASB), poi si valuta il suo solfato riducendo l'attività nel tempo e condurre un esperimento per valutare la sua applicazione su declorazione riduttiva. La posizione dei sedimenti è stato scelto perché è stato riferito che in quel sito vi è formazione di solfuri dovuta all'attività solfato riducendo esibito dalla comunità microbica che abitano quel determinato posto 4.
Ci sono severAl vantaggi nell'ottenere questo fanghi sulfidogenic da sedimenti più di adattarsi metanogenica fango granulare a sulfidogenesis. Alcuni di questi vantaggi sono: (1) non è necessario formare granuli per il bioreattore di operare, (2) i fanghi tollera concentrazioni relativamente elevate di solfuro rispetto ad altri UASB che operano con adattato fanghi methanogenic, e (3) non viene competizione per substrato con methanogens anche se acetato è utilizzato nella miscela di acidi grassi volatili che è incluso nel mezzo di coltura per promuovere la formazione di fanghi.
Questa procedura è stata seguita per promuovere sulfidogenesis perché sedimenti marini sono una piscina naturale di una grande varietà di microrganismi come batteri solfato riduzione, fermentazione batteri e dealogenante batteri solo per citarne alcuni 5,6. Il tipo di consorzio sviluppato da sedimenti marini utilizzando questo protocollo può presentare efficienza nella riduzione solfato e quindi, alti s ulfate riducendo l'attività nel tempo e maggiore tolleranza al solfuro a concentrazioni superiori al segnalato come tossici per methanogens e solfato riducendo batteri. D'altro canto, è probabile che la capacità dealogenante è anche mostrato nei sedimenti seguendo il protocollo qui proposto ma può dipendere dalla comunità microbica originale. Questa ipotesi viene fatto sulla base del fatto che la declorazione riduttiva può avvenire sia con la respirazione o co-metabolismo, entrambe le condizioni che possono essere promossi nella comunità microbica marina 7. La coltivazione dei sedimenti per ottenere i fanghi è stata condotta utilizzando una miscela di acetato, propionato e butirrato come substrato perché questi acidi grassi volatili sono utilizzati da diversi ceppi di batteri solfato-riduzione. Questi acidi sono anche il tipo di composti di carbonio spesso si trovano nei sedimenti marini, secondo diversi rapporti in letteratura sul materiale carbonioso in sedimenti marini 5,6.
content "> Infine, alcuni dei composti più tossici che si trovano in corpi idrici e altri acqua in tutto il mondo sono i solventi clorurati come il tricloroetilene (TCE) o percloroetilene (PCE). Questi composti sono tossici, non solo per l'essere umano, ma anche a microrganismi, in particolare TCE, che è ancora considerato un inquinante prioritario dall'Agenzia di Protezione Ambientale degli Stati Uniti 8. In questo lavoro abbiamo proposto un esperimento in cui i fanghi sulfidogenic è testato su sua capacità di ridurre TCE a concentrazioni che sono nella gamma riportato per composti clorurati biodegradazione in condizioni methanogenic 9,10. Vale la pena ricordare che la maggior parte della ricerca sulla biodegradazione di composti clorurati è stata condotta in condizioni methanogenic 9,10. Riteniamo che l'esperimento con TCE proposto in questo protocollo è un buon esempio delle potenziali applicazioni del fango. L'obiettivo di questo esperimento era di evalutare la tolleranza del fango al TCE e l'effetto TCE sul solfato riduzione dell'attività. Tenendo conto che la maggior parte della ricerca sulla biodegradazione di composti clorurati è effettuata in condizioni methanogenic, questo protocollo suggerisce la formazione di un fango può essere usato per simultaneamente: (1) rimuovere solfato, (2) rimuovere COD e (3) rimuovere composti clorurati. Un ulteriore passo potrebbe essere quello di valutare l'fanghi sulla rimozione simultanea del TCE e metalli pesanti (in aggiunta a solfato e COD), due condizioni che non possono essere valutati in condizioni methanogenic.Protocol
Representative Results
Discussion
Ci sono diverse applicazioni di sulfidogenesis della biotecnologia ambientale, una delle applicazioni più utilizzate del metabolismo dei batteri solfato riducenti in consorzi con fermentazione batteri è in trattamento delle acque reflue. Reattori UASB sono tra i principali approcci di ingegneria al trattamento delle acque reflue industriali con alte concentrazioni di solfato. In questo lavoro, vi presentiamo un protocollo per ottenere fanghi sulfidogenic da sedimenti marini in un reattore UASB. Le fasi critiche nel pr…
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).
