Développement de sulfurogènes boues de sédiments marins et la réduction de trichloroéthylène dans une couverture Réacteur à refoulement de boue anaérobie
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
Une des contributions les plus importantes à la biotechnologie environnementale a été la conception de bioréacteurs dans lequel la boue utilisée (inoculum) a été en mesure d'effectuer dans des conditions de sulfate de réduction. Sulfate de réduction (SR) permet le traitement de flux d'eaux usées qui contiennent des concentrations élevées de sulfate en plus de l'élimination simultanée de la DCO, des métaux lourds et des polluants organiques, ce qui rend une caractéristique souhaitable SR de la boue 1. Quelques exemples d'effluents contaminés avec du sulfate proviennent de tannerie, papier, des produits pharmaceutiques et de fabrication de produits chimiques industries 1. Cependant, la plupart de la littérature se réfère à sulfurogènes boues lorsque la boue granulaire méthanogène a été adapté pour sulfidogenesis 2. Cette adaptation est souvent atteint par la manipulation de la COD / SO 4 2- rapport dans le bioréacteur et ajout de produits chimiques pour inhiber les bactéries méthanogènes dans le 2,3 de boues. En plus de la longue période que may exiger la formation des granules sulfurogènes, la concurrence entre les méthanogènes et réducteurs de sulfate et de la tolérance de la boue à de fortes concentrations de sulfure sont quelques-uns des principaux problèmes qui pourraient survenir si la boue sulfurogènes utilisé dans le bioréacteur est obtenu à partir de l'adaptation de principalement boues méthanogène en sulfate des conditions réductrices. Dans ce travail, nous décrivons la procédure pour obtenir une boue principalement sulfurogènes des évents hydrothermaux sédiments (Punta Mita, Nayarit, Mexique) dans un réacteur anaérobie à lit de boues à flux ascendant (UASB), puis nous évaluons son sulfate réduction de l'activité au fil du temps et menons une expérience d'évaluer son application sur la déchloration réductrice. L'emplacement des sédiments a été choisi car il a été rapporté que, dans ce site il ya formation de sulfures en raison de l'activité de sulfate réduire manifestée par la communauté microbienne qui habitent cet endroit particulier 4.
Il ya Severavantages al dans l'obtention de ces boues sulfurogènes des sédiments sur l'adaptation de boue granulaire méthanogène à sulfidogenesis. Certains de ces avantages sont les suivants: (1) il est inutile de former des granulés pour le bioréacteur de fonctionner, (2) des boues tolère des concentrations relativement élevées de sulfure par rapport aux autres UASB qui fonctionnent avec des boues méthanogène adapté, et (3) il est pas de compétition pour le substrat avec de l'acétate méthanogènes même si on utilise dans le mélange des acides gras volatils qui est inclus dans le milieu de culture pour favoriser la formation de la boue.
Cette procédure a été suivie de promouvoir sulfidogenesis parce sédiments marins sont une piscine naturelle d'une grande variété de micro-organismes tels que le sulfate de réduire les bactéries, la fermentation des bactéries et déshalogénante bactéries pour ne citer que quelques-uns de 5,6. Le type de consortium développé à partir de sédiments marins en utilisant ce protocole peut présenter l'efficacité dans la réduction de sulfate et donc grand s ulfate réduction de l'activité au fil du temps et une plus grande tolérance au sulfure à des concentrations supérieures à la signalé comme toxique pour les bactéries méthanogènes et sulfatoréductrices bactéries. D'autre part, il est probable que la capacité de déshalogénation est également représenté dans les sédiments en suivant le protocole proposé ici, mais il peut dépendre de la communauté microbienne d'origine. Cette hypothèse est fait sur la base du fait que la déchloration réductrice peut se produire soit par la respiration ou cométabolisme, deux conditions qui peuvent être promus dans la communauté microbienne marine 7. La culture des sédiments pour obtenir la boue a été réalisée en utilisant un mélange d'acétate, propionate et butyrate en tant que substrat, parce que ces acides gras volatils sont utilisés par plusieurs souches de bactéries sulfato-réductrices. Ces acides sont également le type de composés de carbone fréquemment trouvés dans les sédiments marins, selon plusieurs rapports de la littérature sur la matière carbonée dans les sédiments de la mer 5,6.
contenu "> Enfin, certains des composés les plus toxiques que l'on retrouve dans les corps de l'eau souterraine et d'autres l'eau partout dans le monde sont les solvants chlorés tels que le trichloroéthylène (TCE) et de perchloroéthylène (PCE). Ces composés sont toxiques non seulement à l'être humain, mais également des microorganismes, en particulier TCE, qui est toujours considéré comme un polluant prioritaire par l'Environmental Protection Agency des États-Unis 8. Dans ce travail, nous avons proposé une expérience dans laquelle la boue sulfurogènes est testé sur sa capacité de réduire le TCE à des concentrations qui sont dans la fourchette indiquée pour les composés chlorés biodégradation dans des conditions méthanogènes 9,10. Il est à noter que la plupart des recherches sur la biodégradation des composés chlorés a été menée dans des conditions méthanogènes 9,10. Nous considérons que l'expérience avec TCE proposé dans ce protocole est un bon exemple des applications potentielles de la boue. L'objectif de cette expérience était de evaloriser la tolérance de la boue au TCE et l'effet de TCE sur la réduction de l'activité du sulfate. Tenant compte du fait que la plupart des recherches sur la biodégradation des composés chlorés est effectuée dans des conditions méthanogènes, ce protocole suggère la formation d'une boue peut être utilisé pour simultanément: (1) retirer le sulfate, (2) enlever la DCO et (3) supprimer des composés chlorés. Une autre étape pourrait consister à évaluer la boue sur l'élimination simultanée de TCE et de métaux lourds (en plus de sulfate et de la DCO), deux conditions qui ne peuvent pas être évalués dans des conditions méthanogènes.Protocol
Representative Results
Discussion
Il existe plusieurs applications de sulfidogenesis dans la biotechnologie environnementale, l'une des applications les plus utilisées du métabolisme des bactéries réductrices de sulfate dans des consortiums avec la fermentation des bactéries est en traitement des eaux usées. Réacteurs UASB sont parmi les principales approches conçus pour le traitement des eaux usées industrielles avec des concentrations élevées de sulfate. Dans ce travail, nous présentons un protocole pour obtenir des boues sulfurogènes…
Divulgations
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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