פיתוח של Sulfidogenic בוצה מים משקעים וטריכלוריטן הפחתה בכור שמיכת Upflow אנאירובית בוצה
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
אחת התרומות החשובות ביותר לביוטכנולוגיה הסביבתית היה העיצוב של bioreactors בי הבוצה משמשת (הבידוד) הייתה מסוגלת לבצע בתנאי סולפט הפחתה. הפחתת סולפט (SR) מאפשרת הטיפול בזרמי שפכים המכילים ריכוז גבוה של חומצה גופרתית בנוסף להסרת הזמנית של COD, מתכות כבדות ומזהמים אורגניים, עובדה שהופכת את SR אופייני רצויה של הבוצה 1. כמה דוגמאות של שפכים מזוהמים עם סולפט מגיעות מתעשיות הבורסקי, נייר, תרופות והייצור כימי 1. עם זאת, רוב הספרות מתייחס לsulfidogenic בוצה כאשר בוצת גרגירי Methanogenic הותאמה לsulfidogenesis 2. הסתגלות זו מושגת בדרך כלל על ידי מניפולציה של COD / SO 4 2 היחס בbioreactor והוספת כימיקלים לעכב methanogens ב2,3 הבוצה. בנוסף לזמן הארוך שמ 'איי דורשים ההיווצרות של גרגרי sulfidogenic, התחרות בין methanogens מוריד סולפט והסובלנות של הבוצה לריכוזים גבוהים של גופרי הוא חלק מהבעיות העיקריות שעלולות להתעורר אם בוצת sulfidogenic משמשת בbioreactor מתקבלת מהעיבוד של בעיקר בוצת Methanogenic סולפט הפחתת תנאים. בעבודה זו, אנו מתארים את ההליך לקבלת בוצה בעיקר sulfidogenic ממשקעי פתחים הידרותרמיות (Punta Mita, Nayarit, מקסיקו) בשמיכת בוצת כור אנאירובי upflow (UASB), ולאחר מכן אנו מעריכים סולפט צמצום פעילות לאורך זמן ולערוך ניסוי כדי להעריך את בקשתו על dechlorination המצמצם. המיקום של המשקעים נבחר משום שהוא כבר דווח כי באתר שיש היווצרות של סולפידים בשל פעילות סולפט הפחתה הוצגה על ידי קהילת החיידקים המאכלסת מקום המסוים ש4.
יש לנתקיתרונות אל בקבלת בוצת sulfidogenic זה ממשקעים מעל התאמת בוצת גרגירי Methanogenic לsulfidogenesis. חלק מיתרונות אלה הם: (1) זה לא הכרחי כדי ליצור גרגרים לbioreactor לפעול, (2) הבוצה סובלת ריכוזים גבוהים יחסית של גופרי בהשוואה לאחרים UASB הפועלים עם בוצת Methanogenic מותאמת, ו- (3) אין אין תחרות על מצע עם methanogens גם אם אצטט משמש בתערובת של חומצות שומן נדיפות שנכללה במדיום התרבות כדי לקדם את הקמתה של הבוצה.
כך נהג לקדם sulfidogenesis בגלל משקעים ימיים הם בריכה טבעית של מגוון רחב של מיקרואורגניזמים כגון סולפט הפחתת חיידקים, תסיסת חיידקים וdehalogenating חיידקים רק כדי להזכיר כמה 5,6. הסוג של קונסורציום התפתח ממשקעים ימיים על ידי שימוש בפרוטוקול זה עשוי להפגין יעילות בהפחתת סולפט ולכן, של גבוה ulfate צמצום פעילות לאורך זמן וסובלנות גבוהה לגופרתי בריכוזים גבוהים יותר מאשר דווח כרעיל לmethanogens וחיידקים סולפט הפחתה. מצד השני, סביר להניח שיכולת dehalogenating מוצגת גם במשקעים על ידי ביצוע הפרוטוקול מוצע כאן, אבל זה עשוי להיות תלוי בקהילת החיידקים המקורית. הנחה זו על סמך העובדה שdechlorination המצמצם יכול להתרחש גם על ידי נשימה או cometabolism, שני המצבים שעשויים להיות מקודם בקהילת החיידקים הימית 7. הטיפוח של המשקעים להשיג הבוצה נערך על ידי שימוש בתערובת של אצטט, propionate ווטיראט כמצע כי חומצות שומן נדיפות אלה משמשות בכמה זנים של חיידקי סולפט הפחתה. חומצות אלו הן גם הסוג של תרכובות פחמן לעתים קרובות נמצאות במשקעים ימיים, על פי כמה דיווחים בספרות על חומר פחמני במשקעי ים 5,6.
תוכן "> לבסוף, חלק מהתרכובות הרעילות ביותר שנמצאות בגוף מי תהום ומים אחרים ברחבי העולם הם הממסים כלור כגון טריכלורואתילן (TCE) או perchlorethylene (PCE). תרכובות אלה הן רעילות לא רק לאדם אלא גם למיקרואורגניזמים, בעיקר TCE, שעדיין נחשב למזהם עדיפות על ידי הסוכנות להגנת הסביבה בארה"ב 8. בעבודה זו הצענו ניסוי שבו בוצת sulfidogenic נבדקה על יכולתה של הפחתת TCE בריכוזים הנמצאים ב מגוון דיווח לפירוק תרכובות כלור בתנאי Methanogenic 9,10. ראוי להזכיר כי רוב המחקר על פירוק תרכובות כלור נערך בתנאי Methanogenic 9,10. אנו רואים כי הניסוי עם TCE המוצע בפרוטוקול זה הוא דוגמא טובה ליישומים הפוטנציאליים של הבוצה. מטרת ניסוי זה הייתה לדוארלהעריך את הסובלנות של הבוצה לTCE והשפעת TCE על סולפט הפחתת פעילות. אם ניקח בחשבון שרוב המחקר על פירוק תרכובות כלור מתבצע בתנאי Methanogenic, פרוטוקול זה מצביע על היווצרות בוצה ניתן להשתמש בו זמנית ל: (1) להסיר סולפט, (2) להסיר את COD ו( 3) להסיר תרכובות כלור. צעד נוסף יכול להיות להעריך את הבוצה בהסרה הזמנית של TCE ומתכות כבדות (בנוסף לסולפט וCOD), שני תנאים שלא ניתן להעריך בתנאי Methanogenic.Protocol
Representative Results
Discussion
ישנם מספר יישומים של sulfidogenesis בביוטכנולוגיה הסביבתית, אחד היישומים הנפוצים ביותר של חילוף החומרים של חיידקי הפחתת סולפט בקונסורציומים עם תסיסת חיידקים היא בטיפול בשפכים. כורי UASB הם בין הגישות העיקריות מהונדסות לטיפול בשפכים תעשייתי בריכוזים גבוהים סולפט. בעבודה זו,…
Offenlegungen
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 |
Referenzen
- 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).
