Entwicklung sulfidogenen Schlamm aus marinen Sedimenten und Trichlorethylen Reduction in einer 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
Einer der wichtigsten Beiträge zur Umweltbiotechnologie war die Gestaltung von Bioreaktoren, in denen die verwendeten (Inokulum) Schlamm konnte unter Sulfat reduzierenden Bedingungen durchzuführen. Sulfat-Reduktion (SR) ermöglicht die Behandlung von Abwasserströmen, die hohe Konzentrationen an Sulfat zusätzlich zur gleichzeitigen Entfernung von COD, Schwermetallen und organischen Schadstoffen, eine Tatsache, SR eine wünschenswerte Eigenschaft des Schlamms 1 ermöglicht, enthalten. Einige Beispiele von Abwässern mit Sulfat verunreinigt aus Gerberei, Papier, pharmazeutischen und chemischen Fertigungsindustrie 1 gekommen. , Bezieht sich jedoch die meisten von der Literatur zur Schlamm sulfidogenen bei methanogenen körnigen Schlamm zu sulfidogenesis 2 angepasst. Diese Anpassung wird üblicherweise durch Manipulieren des COD / SO 4 2- Verhältnis in dem Bioreaktor und die Zugabe von Chemikalien zu methanogens im Schlamm 2,3 Hemmung erreicht. Zusätzlich zu der langen Zeit, daß may erfordern die Bildung der sulfidogenen Granulate werden die Konkurrenz zwischen Methanogenen und sulfatreduzierenden und der Toleranz des Schlamms auf hohe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff einige der wichtigsten Probleme, die entstehen können, wenn die sulfidogenen Schlamm in den Bioreaktor verwendet wird, aus der Anpassung erhalten vorwiegend methan Schlamm zu Sulfat reduzierenden Bedingungen. In dieser Arbeit, die Vorgehensweise, um eine überwiegend sulfidogenen Schlamm aus hydrothermalen Quellen Sedimente (Punta Mita, Nayarit, Mexiko) in einer Aufwärtsströmung anaeroben Schlammreaktor (UASB) zu erhalten, beschreiben wir, dann bewerten wir dessen Sulfat reduzierenden Aktivität im Laufe der Zeit und führen ein Experiment zu ihrer Anwendung auf reduzierende Dechlorierung zu bewerten. Die Lage der Sedimente wurde gewählt, weil es wurde berichtet, daß in diesem Ort gibt es die Bildung von Sulfiden durch die Sulfat-reduzierenden Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft bewohnen diese bestimmte Stelle 4 gezeigt.
Es gibt several Vorteile bei der Beschaffung dieser sulfidogenen Schlamm aus Sedimenten über die Anpassung methanogenen körnigen Schlamm sulfidogenesis. Einige dieser Vorteile sind: (1) Es ist nicht notwendig, um ein Granulat zu bilden für den Bioreaktor zu funktionieren, (2) der Schlamm toleriert relativ hohe Konzentrationen an Schwefelwasserstoff im Vergleich zu anderen UASB, die mit angepassten methanogene Schlamm arbeiten, und (3) wird keine Konkurrenz Substrats mit methanogenen selbst wenn Ester wird in der Mischung von flüchtigen Fettsäuren, die in dem Kulturmedium enthalten ist, um die Bildung des Schlammes zu fördern verwendet.
Dieses Verfahren wurde durchgeführt, um zu fördern, weil sulfidogenesis marinen Sedimenten sind eine natürliche Pool einer Vielzahl von Mikroorganismen, wie sulfatreduzierende Bakterien, fermentierenden Bakterien und Dehalogenierungsbakterien um nur einige zu nennen 5,6. Die Art des Konsortiums mit diesem Protokoll aus marinen Sedimenten entwickelt kann Effizienz in der Sulfatreduktion und damit hohen s aufweisen ulfate Reduktionsaktivität im Laufe der Zeit und eine höhere Toleranz gegenüber Sulfid in Konzentrationen höher als die berichtete, wie giftig für methanogens und sulfatreduzierenden Bakterien. Auf der anderen Seite, ist es wahrscheinlich, dass die Dehalogenierungsmittel Fähigkeit wird auch in den Sedimenten, indem Sie das Protokoll hier vorgeschlagene, aber es kann auf dem ursprünglichen mikrobiellen Gemeinschaft hängen gezeigt. Diese Annahme basiert auf der Tatsache, dass die reduktive Dechlorierung kann entweder durch Atmung oder Cometabolismus auftreten erfolgen beide Bedingungen, die im Meeresmikrobengemeinschaft 7 gefördert werden kann. Die Kultivierung der Sedimente, um den Schlamm zu erhalten, wurde unter Verwendung einer Mischung aus Acetat, Propionat und Butyrat als Substrat, da diese flüchtigen Fettsäuren werden durch verschiedene Stämme von sulfatreduzierenden Bakterien verwendet wurde. Diese Säuren sind auch die Art der Kohlenstoffverbindungen in marinen Sedimenten häufig gefunden, nach mehreren Berichten in der Literatur für kohlenstoffhaltiges Material in Meeressedimenten 5,6.
content "> Schließlich sind einige der am stärksten toxische Verbindungen, die im Grundwasser und andere Gewässer auf der ganzen Welt zu finden sind, chlorierte Lösungsmittel, wie Trichlorethylen (TCE) oder Perchlorethylen (PCE). Diese Verbindungen toxisch sind nicht nur für den Menschen, aber auch auf Mikroorganismen, insbesondere TCE, das noch in den USA als eine Priorität Schadstoff durch die Environmental Protection Agency 8. In dieser Arbeit wurde ein Experiment, in dem die sulfidogenen Schlamm wird auf seine Fähigkeit zur Reduzierung TCE bei Konzentrationen getestet, die in der sind wir vorgeschlagen, Bereich für chlorierte Verbindungen biologischen Abbau unter Methanogenese Bedingungen 9,10 berichtet. Es ist erwähnenswert, dass die meisten Forschungen auf biologischer Abbau von chlorierten Verbindungen wurde unter methanogenen Bedingungen 9,10 durchgeführt wert. Wir glauben, dass der Versuch mit TCE in diesem Protokoll vorgeschlagen wird ein Beispiel für die Einsatzmöglichkeiten des Schlamms. Das Ziel dieses Experiments war es, eine Ebewerten die Toleranz der Schlamm an den TCE und dem TCE Wirkung auf die Sulfat-reduzierenden Aktivität. Berücksichtigt man, dass die meisten Forschungen auf biologischer Abbau von chlorierten Verbindungen wird unter methanogenen Bedingungen, schlägt dieses Protokoll die Bildung eines Schlamms verwendet werden, um gleichzeitig: (1) Entfernen Sulfat, (2) Entfernen COD und (3) zu entfernen chlorierten Verbindungen. Ein weiterer Schritt könnte, um den Schlamm auf die gleichzeitige Entfernung von TCE und Schwermetalle zu bewerten (zusätzlich zu Sulfat und CSB), zwei Bedingungen, die nicht unter methanogenen Bedingungen ausgewertet werden kann.Protocol
Representative Results
Discussion
Es gibt mehrere Anwendungen sulfidogenesis in Umweltbiotechnologie, einer der am häufigsten verwendeten Anwendungen des Stoffwechsels von sulfatreduzierenden Bakterien in Konsortien mit gärenden Bakterien in der Abwasserbehandlung. UASB Reaktoren zählen zu den Haupt entwickelt Ansätze zur industriellen Abwasserbehandlung mit hoher Sulfatkonzentrationen. In dieser Arbeit präsentieren wir ein Protokoll, um sulfidogenen Schlamm aus marinen Sedimenten in einem UASB-Reaktor erhalten. Die kritischen Schritte in dem Proto…
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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