上向流嫌気性スラッジブランケット炉内の海洋堆積物やトリクロロエチレンの削減からSulfidogenic汚泥の開発
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
環境バイオテクノロジーへの最も重要な貢献の一つは、（接種材料）を使用した汚泥は硫酸還元条件下で実行することができたしたバイオリアクターの設計でした。硫酸還元（SR）は、COD、重金属や有機汚染物質、SR汚泥1の望ましい特性になるという事実の同時除去に加えて、硫酸塩の高濃度で含有廃水流の処理を可能にします。硫酸で汚染された排水のいくつかの例としては、皮なめし工場、紙、医薬・化学品製造業1から来ます。メタングラニュール汚泥がsulfidogenesis 2に適合されている場合しかし、文献のほとんどはsulfidogenic汚泥を指します。この適応は、一般的に、バイオリアクター内のCOD / SO 4 2-比を操作し、汚泥2,3にメタンを阻害する化学物質を添加することによって達成されます。長い時間メートルに加えて、バイオリアクターで使用sulfidogenic汚泥はの適応から得られた場合AY sulfidogenic顆粒の形成を必要とする、メタン生成菌と硫酸減速や硫化物の高濃度汚泥の許容範囲との間の競合が発生する可能性のある主要な問題のいくつかであります条件を硫酸還元するため、主にメタン生成汚泥。本研究では、我々は時間をかけてその硫酸還元活性を評価し、実験を行う、上向流嫌気性スラッジブランケット型原子炉（UASB）は熱水噴出堆積物から主にsulfidogenic汚泥（プンタミタ、ナヤリット、メキシコ）を取得する手順を説明還元的脱塩素化への適用を評価しました。それはそのサイトで、特定の場所4に生息する微生物群集が示す硫酸還元活性に起因する硫化物の形成があることが報告されているため、堆積物の場所を選択しました。
断絶があります。sulfidogenesisにメタングラニュール汚泥を適応させるの上に堆積物からこのsulfidogenic汚泥を得る際にアル利点。これらの利点のいくつかは、（1）（3）が存在する汚泥を適応さメタン汚泥で動作他UASBと比較して硫化物の比較的高濃度を許容し、（2）、バイオリアクターを操作するための顆粒を形成する必要がなく、かつ酢酸スラッジの形成を促進する培地に含まれる揮発性脂肪酸の混合物で使用してもメタンを有する基板には競合しません。
海洋堆積物が細菌を発酵し、わずか数5,6を言及する細菌を脱ハロゲン化、硫酸塩還元菌などの微生物の多種多様な自然のプールであるため、この手順はsulfidogenesisを促進するために行きました。このプロトコルを使用して、海洋堆積物から開発コンソーシアムの種類は、硫酸還元したがって、高いS効率を示すことができます ulfate時間とメタン生成菌と硫酸還元菌の毒性として報告よりも高い濃度で硫化物に高い許容度にわたって活性を低下させます。一方、脱ハロゲン化機能は、プロトコルに従うことにより、堆積物に示されている可能性があるが、ここで提案されているが、それは元の微生物のコミュニティに依存してもよいです。この仮定は、還元的脱塩素は呼吸やcometabolismのいずれかによって発生する可能性があるという事実に基づいて行われ、海洋微生物群集7に促進することができる両方の条件。これらの揮発性脂肪酸は、硫酸塩還元菌のいくつかの株によって使用されるため、汚泥を得るために、堆積物の培養基質として、酢酸、プロピオン酸および酪酸の混合物を用いて行きました。これらの酸は、海の堆積物5,6における炭素質材料に関する文献にはいくつかの報告によれば、また、しばしば、海洋堆積物中に見られる炭素化合物の一種です。
コンテンツ ">最後に、世界中の地下で発見された最も毒性の強い化合物および他の水域の一部は、トリクロロエチレン（TCE）やパークロロエチレン（PCE）のような塩素化溶媒である。これらの化合物は、人間のみならず毒性があるが、また、まだ米国8の環境保護庁が優先汚染物質と考えられている。本研究ではsulfidogenic汚泥をしている濃度でTCEを削減するその能力にテストされた実験を提案した微生物、特にTCEへメタン生成条件9,10の下で塩素化合物の生分解について報告範囲。それは、塩素化合物の生分解に関する研究のほとんどはメタン生成条件9,10の下で行われていることを言及する価値がある。我々は、このプロトコルで提案されたTCEを用いた実験であることを考慮します汚泥の潜在的なアプリケーションの良い例。この実験の目的は、EとしましたTCEへの汚泥の許容度および活性を硫酸還元のTCEの影響を評価します。 （1）（2）CODを除去し、（3）削除し、硫酸塩を除去する：塩素化合物の生分解に関する研究のほとんどはメタン条件下で行われることを考慮すると、このプロトコルは、スラッジの形成を同時にするために使用され得ることを示唆する塩素化合物。さらなるステップは、（ほかに硫酸塩およびCODする）メタン生成条件で評価することができない二つの条件をTCEと重金属の同時除去に汚泥を評価する可能性があります。Protocol
Representative Results
Discussion
環境バイオテクノロジーにおけるsulfidogenesisのいくつかのアプリケーション、細菌を発酵する廃水処理であるとのコンソーシアム中の硫酸還元菌の代謝の最も使用されるアプリケーションの一つがあります。 UASB反応器は、高硫酸濃度の産業廃水処理の主な設計アプローチの一つです。本研究では、UASB反応器内での海洋堆積物からsulfidogenic汚泥を取得するためのプロトコルを提示します。海?…
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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