Desarrollo de sulfidogénicos lodos de sedimentos marinos y tricloroetileno Reducción en un reactor anaerobio de flujo ascendente Manta lodos
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
Una de las contribuciones más importantes a la biotecnología ambiental fue el diseño de biorreactores en los que el lodo utilizado (inóculo) era capaz de realizar en condiciones reductoras de sulfato. La reducción de sulfato (SR) permite el tratamiento de corrientes de aguas residuales que contienen altas concentraciones de sulfato en adición a la eliminación simultánea de DQO, metales pesados y contaminantes orgánicos, un hecho que hace SR una característica deseable de los lodos 1. Algunos ejemplos de los efluentes contaminados con sulfato provienen de industrias de curtiduría, papel, farmacéutica y de fabricación de productos químicos 1. Sin embargo, la mayor parte de la literatura se refiere a sulfidogénicos lodos cuando lodo granular metanogénica se ha adaptado a sulfidogenesis 2. Esta adaptación se logra comúnmente mediante la manipulación de la DQO / SO 4 2- relación en el biorreactor y la adición de productos químicos para inhibir metanógenos en el 2,3 lodos. Además del largo tiempo de que may requerir la formación de los gránulos sulfidogénicos, la competencia entre los metanógenos y reductores de sulfato y la tolerancia de los lodos a altas concentraciones de sulfuro son algunos de los principales problemas que pueden surgir si el lodo sulfidogénicos utilizado en el biorreactor se obtiene de la adaptación de predominantemente lodos metanogénica al sulfato reductoras. En este trabajo, se describe el procedimiento para obtener un lodo predominantemente sulfidogénicos de respiraderos hidrotermales sedimentos (Punta Mita, Nayarit, México) en un reactor de manto de lodo anaerobio de flujo ascendente (UASB), a continuación, evaluamos su sulfato reducción de la actividad en el tiempo y llevamos a cabo un experimento para evaluar su aplicación en la decloración reductiva. Se eligió La ubicación de los sedimentos ya que se ha informado de que en ese sitio hay formación de sulfuros debido a la actividad exhibida por la reducción de sulfato de la comunidad microbiana que habitan en ese particular lugar 4.
Hay severAL ventajas en la obtención de este lodo sulfidogénicos de los sedimentos sobre la adaptación de lodo granular metanogénica a sulfidogenesis. Algunas de estas ventajas son: (1) no es necesario para formar gránulos para el biorreactor de operar, (2) el lodo tolera concentraciones relativamente altas de sulfuro de comparación con otros UASB que operan con lodos metanogénica adaptado, y (3) no se no hay competencia por el sustrato con metanógenos incluso si acetato se utiliza en la mezcla de ácidos grasos volátiles que se incluye en el medio de cultivo para promover la formación de los lodos.
Este procedimiento se siguió para promover sulfidogenesis debido a los sedimentos marinos son una piscina natural de una amplia variedad de microorganismos, tales como sulfato de reducción de las bacterias, fermentación de bacterias y deshalogenar bacterias sólo para mencionar algunos 5,6. El tipo de consorcio desarrollado a partir de sedimentos marinos mediante el uso de este protocolo puede exhibir la eficiencia en la reducción de sulfato y, por lo tanto, altas s ulfate la reducción de actividad con el tiempo y una mayor tolerancia a sulfuro en concentraciones más altas que el reportado como tóxico para los metanógenos y bacterias reductoras de sulfato. Por otra parte, es probable que la capacidad de deshalogenante también se muestra en los sedimentos, siguiendo el protocolo propuesto aquí, pero puede depender de la comunidad microbiana inicial. Esta suposición se hace con base en el hecho de que la decloración reductiva puede ocurrir ya sea por la respiración o cometabolismo, dos condiciones que pueden ser promovidas en la comunidad microbiana marina 7. El cultivo de los sedimentos para obtener el lodo se llevó a cabo mediante el uso de una mezcla de acetato, propionato y butirato como sustrato debido a que estos ácidos grasos volátiles son utilizados por varias cepas de bacterias reductoras de sulfato. Estos ácidos son también el tipo de compuestos de carbono que se encuentran con frecuencia en los sedimentos marinos, según varios reportes en la literatura sobre el material carbonoso en los sedimentos marinos 5,6.
contenido "> Por último, algunos de los compuestos más tóxicos que se encuentran en masas de agua subterránea y otra de agua en todo el mundo estan los disolventes clorados como el tricloroetileno (TCE) o percloroetileno (PCE). Estos compuestos son tóxicos, no sólo para el ser humano, pero también a los microorganismos, particularmente TCE, que todavía se considera un contaminante prioritario por la Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. 8. En este trabajo se propone un experimento en el que el lodo sulfidogénicos se prueba en su capacidad de reducir el TCE en concentraciones que están en el rango reportado para compuestos clorados biodegradación en condiciones metanogénicas 9,10. Vale la pena mencionar que la mayor parte de la investigación sobre la biodegradación de compuestos clorados se ha realizado en condiciones metanogénicas 9,10. Consideramos que el experimento con TCE se propone en este protocolo es un buen ejemplo de las posibles aplicaciones de los lodos. El objetivo de este experimento fue al correovalorar la tolerancia de los lodos a la TCE y el efecto TCE en el sulfato de reducción de la actividad. Teniendo en cuenta que la mayor parte de la investigación sobre la biodegradación de compuestos clorados se lleva a cabo bajo condiciones metanogénicas, este protocolo sugiere la formación de un lodo puede ser usado para simultáneamente: (1) eliminar el sulfato, (2) eliminar la DQO y (3) eliminar compuestos clorados. Un paso más podría ser la de evaluar el lodo en la eliminación simultánea de TCE y los metales pesados (además de sulfato y COD), dos condiciones que no pueden ser evaluados bajo condiciones metanogénicas.Protocol
Representative Results
Discussion
Hay varias aplicaciones de sulfidogenesis en biotecnología ambiental, una de las aplicaciones más utilizadas del metabolismo de las bacterias reductoras de sulfato en consorcios con la fermentación de bacterias es en el tratamiento de aguas residuales. Reactores UASB son algunos de los principales enfoques de ingeniería para el tratamiento de aguas residuales industriales con altas concentraciones de sulfato. En este trabajo, se presenta un protocolo para obtener lodos sulfidogénicos de sedimentos marinos en un rea…
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
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