Ontwikkeling van Sulfidogenic Slib van mariene sedimenten en Trichloorethyleen Vermindering van een Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

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

Een van de belangrijkste bijdragen aan milieubiotechnologie was het ontwerpen van bioreactoren waarbij het slib gebruikt (inoculum) kon presteren onder sulfaat reducerende omstandigheden. Sulfaat (SR) maakt de behandeling van afvalwater dat hoge concentraties sulfaat bevatten naast de gelijktijdige verwijdering van CZV, zware metalen en organische verontreinigingen, een feit dat SR maakt een gewenste eigenschap van het slib ^1. Enkele voorbeelden van afvalwater verontreinigd met sulfaat afkomstig van leerlooierij, papier, farmaceutische en chemische industrie ^1. Echter, de meeste van de literatuur heeft betrekking op slib sulfidogenic wanneer methanogene korrelslib is aangepast aan sulfidogenesis ^2. Deze aanpassing wordt gewoonlijk bereikt door het manipuleren van de CZV / SO ₄ ^2- verhouding in de bioreactor en het toevoegen van chemicaliën aan methanogenen in het slib ^2,3 remmen. Naast de lange tijd dat may vereisen de vorming van de sulfidogenic granules, de concurrentie tussen methanogenen en sulfaatreduceerders en de tolerantie van het slib aan hoge concentraties van sulfide zijn enkele van de belangrijkste problemen die kunnen ontstaan ​​indien de sulfidogenic gebruikt slib in de bioreactor wordt verkregen uit de aanpassing van voornamelijk methanogene slib sulfaat reducerende omstandigheden. In dit werk, de procedure om een ​​overwegend sulfidogenic slib van hydrothermale bronnen sedimenten (Punta Mita, Nayarit, Mexico) in een opwaartse stroming anaerobe slibdeken reactor (UASB) te verkrijgen beschrijven we, dan evalueren we de sulfaat reducerende activiteit in de tijd en voeren een experiment aan de toepassing ervan op de reductieve dechlorering te evalueren. De locatie van het sediment werd gekozen omdat het is vermeld dat doordat er ter vorming van sulfiden vanwege de sulfaat reducerende activiteit vertoond door de microbiële gemeenschap bevolken aldus vastgestelde plaats ^4.

Er zijn several voordelen in het verkrijgen van deze sulfidogenic slib uit sedimenten op de aanpassing van methanogene korrelslib te sulfidogenesis. Sommige van deze voordelen zijn: (1) het is niet nodig om granules de bioreactor te werken, (2) het slib tolereert relatief hoge concentraties van sulfide in vergelijking met andere UASB die werken met aangepaste methanogene slib, en (3) wordt geen concurrentie substraat methanogens zelfs als acetaat wordt toegepast in het mengsel van vluchtige vetzuren die is opgenomen in het kweekmedium om de vorming van het slib te bevorderen.

Deze procedure werd gevolgd om sulfidogenesis bevorderen, omdat mariene sedimenten een natuurlijke pool van diverse micro-organismen zoals sulfaat reducerende bacteriën fermenteren bacteriën en dehalogeneren bacteriën slechts een paar te noemen ^5,6. Het type consortium ontwikkeld uit mariene sedimenten door het gebruik van dit protocol kan de efficiëntie vertonen in sulfaat en dus hoge s ulfate reducerende activiteit in de tijd en een hogere tolerantie voor sulfide bij concentraties hoger dan de gerapporteerde als giftig voor methanogenen en sulfaat reducerende bacteriën. Aan de andere kant, is het waarschijnlijk dat de dehalogeneringsactiviteit vermogen ook in de sedimenten wordt door de protocol hier wordt voorgesteld, maar kan afhangen van de oorspronkelijke microbiële gemeenschap. Deze aanname wordt gedaan op basis van het feit dat reductieve dechlorering kan plaatsvinden hetzij ademhaling of cometabolisme beide omstandigheden die kunnen worden bevorderd mariene microbiële gemeenschap ^7. De teelt van sedimenten aan het slib verkrijgen werd uitgevoerd door toepassing van een mengsel van acetaat, propionaat en butyraat als substraat omdat deze vluchtige vetzuren worden gebruikt door verschillende stammen van sulfaat reducerende bacteriën. Deze zuren zijn ook type koolstofverbindingen vaak gevonden in mariene sedimenten volgens verschillende rapporten in de literatuur over koolstofhoudend materiaal in zee sedimenten ^5,6.

content "> Tenslotte aantal van de giftige stoffen die worden aangetroffen in het grondwater en andere waterlichamen wereldwijd zijn de gechloreerde oplosmiddelen zoals trichloorethyleen (TCE) en perchloorethyleen (PCE). Deze verbindingen zijn toxisch niet alleen de mens, maar Ook voor micro-organismen, met name TCE, die nog steeds wordt beschouwd als een prioriteit verontreiniging door de Environmental Protection Agency in de VS ^8. In dit werk voorgesteld we een experiment waarin de sulfidogenic slib wordt getest op zijn vermogen reduceren TCE bij concentraties die in de range gerapporteerd voor gechloreerde verbindingen biologische afbraak onder methanogene omstandigheden ^9,10. Vermeldenswaard is dat het grootste deel van het onderzoek naar de biologische afbraak van gechloreerde verbindingen is uitgevoerd onder methanogene omstandigheden ^9,10 waard. Wij zijn van mening dat het experiment met TCE in dit protocol wordt voorgesteld, is een goed voorbeeld van de mogelijke toepassingen van het slib. Het doel van dit experiment was om ewaarderen de tolerantie van het slib naar de TCE en TCE effect op de sulfaat reducerende activiteit. Aangezien het meeste onderzoek naar biologische afbraak van gechloreerde verbindingen onder methanogene condities plaatsvindt, dit protocol stelt de vorming van een slib kan worden gebruikt om gelijktijdig: (1) verwijderen sulfaat, (2) verwijderen COD en (3) verwijderen gechloreerde verbindingen. Een volgende stap kan zijn om het slib op de gelijktijdige verwijdering van TCE en zware metalen te evalueren (naast sulfaat en COD), twee aandoeningen die niet onder methanogene condities worden geëvalueerd.

Protocol

Figuur 1. Regeling voor de stappen van het protocol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 1. Verzamel mariene sedimenten voor de vorming van het slib Identificeer een laagdrempelige onderzeese omgeving ofwel dichtbij warmwaterkraters (door de aanwezigheid van …

Representative Results

Een typische gedrag van de sulfaatreductie in de bioreactor wordt getoond in figuur 5. Het is belangrijk op te merken dat tijdens de eerste weken bedrijf sulfaatreductie verloopt traag. Echter langzaam het verbruik van meer dan 90% van sulfaat in de tijd geeft aan dat de entstof ontwikkelt een microbiële gemeenschap kan reduceren sulfaat en bijgevolg verrijkt sulfaat reducerende bacteriën. De verschillende periodes in de figuur geeft aan dat sulfaat werd het verhogen van de rente in de tijd. Aan het b…

Discussion

Er zijn verschillende toepassingen van sulfidogenesis in milieubiotechnologie, een van de meest gebruikte toepassingen van het metabolisme van sulfaat reducerende bacteriën in consortia fermenterende bacteriën in afvalwaterzuivering. UASB reactoren behoren tot de belangrijkste gemanipuleerde benaderingen van industrieel afvalwater met hoge concentraties sulfaat. In dit werk, presenteren we een protocol om sulfidogenic slib uit mariene sedimenten te verkrijgen in een UASB-reactor. De kritische stappen in het protocol e…

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