تطوير المولدة للكبريتيد الحمأة من الرواسب البحرية والحد من Trichloroethylene في غطاء المفاعل Upflow اللاهوائية الحمأة
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
كان واحدا من أهم الإسهامات في مجال التكنولوجيا الحيوية البيئية تصميم المفاعلات الحيوية التي كانت الحمأة المستخدمة (اللقاح) قادرة على أداء تحت كبريتات الحد من الظروف. كبريتات (SR) يسمح علاج مياه الصرف التي تحتوي على تركيزات عالية من كبريتات بالإضافة إلى إزالة في وقت واحد من COD، والمعادن الثقيلة والملوثات العضوية، الأمر الذي يجعل SR صفة مرغوبة من الحمأة 1. بعض الأمثلة من النفايات السائلة الملوثة مع كبريتات تأتي من الدباغة والورق والأدوية والصناعات الكيميائية الصناعات 1. ومع ذلك، فإن معظم الأدبيات يشير إلى المولدة للكبريتيد الحمأة عندما تم تكييفها الحمأة الحبيبية الميثان إلى sulfidogenesis 2. يتم تحقيق هذا التكيف عادة عن طريق التلاعب في COD / SO 4 2- النسبة في مفاعل حيوي وإضافة مواد كيميائية لمنع methanogens في 2،3 الحمأة. بالإضافة إلى وقت طويل أن معبد المنعم يوسف تتطلب تشكيل حبيبات المولدة للكبريتيد، والمنافسة بين methanogens ومخفضات الكبريتات والتسامح من الحمأة لتركيزات عالية من كبريتيد هي بعض من المشاكل الرئيسية التي قد تنشأ إذا تم الحصول على الحمأة المولدة للكبريتيد المستخدمة في مفاعل حيوي من تطويع في الغالب الحمأة الميثان إلى كبريتات الحد من الظروف. في هذا العمل، ونحن وصف الإجراء للحصول على الحمأة في الغالب المولدة للكبريتيد من الفتحات الحرارية المائية رواسب (بونتا ميتا، ناياريت، المكسيك) في upflow اللاهوائية مفاعل الحمأة بطانية (UASB)، ثم نقيم كبريتات في الحد من النشاط مع مرور الوقت وإجراء تجربة لتقييم تطبيقه على إزالة الكلور التخفيض. وقد تم اختيار موقع الرواسب لأنه قد تم الإبلاغ عن أن في هذا الموقع هناك تشكيل كبريتيد بسبب النشاط كبريتات الحد التي أظهرتها المجتمع الميكروبي تقطن أن معين مكان 4.
هناك سيفرمزايا القاعدة في الحصول على هذه الحمأة المولدة للكبريتيد من الرواسب على التكيف مع الحمأة الحبيبية الميثان إلى sulfidogenesis. بعض من هذه المزايا هي: (1) أنه ليس من الضروري لتشكيل حبيبات للمفاعل حيوي للعمل، (2) الحمأة تتسامح مع تركيزات عالية نسبيا من كبريتيد بالمقارنة مع الآخرين UASB التي تعمل مع تكييف الحمأة الميثان، و (3) هناك لا التنافس على الركيزة مع methanogens حتى إذا تم استخدام خلات في خليط من الأحماض الدهنية الطيارة التي يتم تضمينها في مستنبت لتشجيع تشكيل الحمأة.
وأعقب هذا الإجراء إلى تعزيز sulfidogenesis بسبب الرواسب البحرية هي بركة طبيعية من مجموعة متنوعة واسعة من الكائنات الدقيقة مثل كبريتات الحد من البكتيريا، تخمر البكتيريا والجراثيم dehalogenating فقط أن أذكر بعض 5،6. نوع كونسورتيوم المتقدمة من الرواسب البحرية باستخدام هذا البروتوكول قد تظهر كفاءة في كبريتات وبالتالي، ق عالية ulfate الحد من النشاط مع مرور الوقت وزيادة التسامح لكبريتيد بتركيزات أعلى من الإبلاغ عن سامة للmethanogens وكبريتات الحد من البكتيريا. من ناحية أخرى، فمن المرجح أن القدرة dehalogenating يظهر أيضا في الرواسب باتباع البروتوكول المقترح هنا ولكن قد تعتمد على المجتمع الميكروبي الأصلي. ويتم هذا الافتراض استنادا إلى حقيقة أنه يمكن أن تحدث إزالة الكلور التخفيض إما عن طريق التنفس أو cometabolism، سواء الظروف التي يمكن الترويج لها في المجتمع الميكروبي البحري 7. وقد أجريت زراعة الرواسب للحصول على الحمأة باستخدام خليط من خلات، بروبيونات والزبدات كما الركيزة لأنه يتم استخدام هذه الأحماض الدهنية المتطايرة من قبل عدة سلالات من كبريتات الحد من البكتيريا. هذه الأحماض هي أيضا نوع من مركبات الكربون وجدت في كثير من الأحيان في الرواسب البحرية، وفقا لعدة تقارير في الأدب على المواد الكربونية في الرواسب البحرية 5،6.
محتوى "> وأخيرا، بعض من أكثر المركبات السامة التي تم العثور عليها في المياه الجوفية والمياه الهيئات الأخرى في جميع أنحاء العالم هي المذيبات المكلورة مثل ثلاثي كلور (TCE) أو الإيثيلين (PCE). هذه المركبات السامة ليس فقط للإنسان ولكن كما أن الكائنات الحية الدقيقة، وخاصة أشكال التعبير الثقافي التقليدي، الذي لا يزال يعتبر من الملوثات ذات الأولوية من قبل وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة (8). وفي هذا العمل اقترحنا تجربة التي يتم اختبار الحمأة المولدة للكبريتيد على قدرتها على الحد من أشكال التعبير الثقافي التقليدي بتركيزات التي هي في مجموعة أبلغ عن المركبات المكلورة التحلل الحيوي في ظل ظروف الميثان 9،10. ومن الجدير بالذكر أن معظم البحوث على تحلل من المركبات المكلورة وقد أجريت في ظل ظروف الميثان 9،10. ونحن نعتبر أن التجربة مع أشكال التعبير الثقافي التقليدي المقترحة في هذا البروتوكول هو وكان الهدف من هذه التجربة خير مثال على التطبيقات المحتملة للحمأة إلى البريدتثمين التسامح من الحمأة لأشكال التعبير الثقافي التقليدي وأشكال التعبير الثقافي التقليدي تأثير على كبريتات الحد من النشاط. مع الأخذ بعين الاعتبار أن معظم البحوث على تحلل من مركبات الكلور تتم في ظل ظروف الميثان، يوحي هذا البروتوكول تشكيل الحمأة يمكن أن تستخدم لفي وقت واحد: (1) إزالة كبريتات، (2) إزالة COD و (3) إزالة المركبات المكلورة. خطوة أخرى يمكن أن تكون لتقييم الحمأة على إزالة في وقت واحد من أشكال التعبير الثقافي التقليدي والمعادن الثقيلة (بالإضافة إلى كبريتات وCOD)، واثنين من الشروط التي لا يمكن تقييمها في ظل ظروف الميثان.Protocol
Representative Results
Discussion
هناك العديد من التطبيقات من sulfidogenesis في مجال التكنولوجيا الحيوية البيئية، واحدة من التطبيقات الأكثر استخداما من عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا الحد من الكبريتات في اتحادات مع تخمر البكتيريا في معالجة مياه الصرف الصحي. المفاعلات UASB هي من بين الأساليب الهندسية الرئ?…
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
- 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).
