Utveckling av Sulfidogenic Slam från marina sediment och Trikloretylen Minskning av en 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

En av de viktigaste bidragen till miljöbioteknik var utformningen av bioreaktorer där slammet används (inoculum) kunde prestera under sulfat reducerande betingelser. Sulfatreduktion (SR) möjliggör behandling av avloppsvattenströmmar som innehåller höga koncentrationer av sulfat i tillägg till samtidigt avlägsnande av COD, tungmetaller och organiska föroreningar, ett faktum som gör SR en önskvärd egenskap hos slammet ^1. Några exempel på avloppsvatten förorenade med sulfat kommer från garveri, papper, läkemedels- och kemisk tillverkningsindustri ^1. Men de flesta av litteraturen hänvisar till sulfidogenic slam när metanogena granulärt slam har anpassats till sulfidogenesis ^2. Denna anpassning är ofta uppnås genom att manipulera COD / SO ₄ ^2- förhållandet i bioreaktorn och tillsätta kemikalier för att hämma metanogener i slammet ^2,3. Förutom den långa tid att may kräver bildandet av sulfidogenic granulat, konkurrensen mellan metanogener och sulfatförminsknings och toleransen av slammet till höga koncentrationer av sulfid är några av de största problemen som kan uppstå om sulfidogenic slam som används i bioreaktorn erhålls från anpassningen av övervägande metanogena slam till sulfat reducerande betingelser. I detta arbete, beskriver vi proceduren för att erhålla en övervägande sulfidogenic slam från hydrotermiska skorstenar sediment (Punta Mita, Nayarit, Mexiko) i en uppåtströmmande anaerob slamreaktor (UASB), sedan utvärderar vi dess sulfat reducerande aktivitet över tid och genomföra ett experiment att utvärdera dess tillämpning på reduktiv deklorering. Placeringen av sedimenten valdes eftersom det har rapporterats att i detta ställe finns det bildas sulfider på grund av sulfatreducerande aktivitet som uppvisas av den mikrobiella miljön bebor den platsen ^4.

Det finns several fördelar i att erhålla denna sulfidogenic slam från sediment över anpassa metanogena granulärt slam till sulfidogenesis. Några av dessa fördelar är: (1) det inte är nödvändigt för att bilda granuler för bioreaktorn att fungera, (2) slammet tolererar relativt höga koncentrationer av sulfid jämfört med andra UASB som fungerar med anpassad metanogena slammet samt (3) det finns ingen konkurrens om substrat med metanogener även om acetat används i blandningen av flyktiga fettsyror som ingår i odlingsmediet för att befrämja bildningen av slammet.

Detta förfarande följdes för att främja sulfidogenesis eftersom marina sediment är en naturlig pool av ett stort antal av mikroorganismer såsom sulfatreducerande bakterier, jäsning bakterier och dehalogenering bakterier bara för att nämna några ^5,6. Den typ av konsortiet utvecklats från marina sediment med hjälp av detta protokoll kan uppvisa effektivitet i sulfatreduktion och därmed höga s ulfate reducerande aktivitet över tid och högre tolerans mot sulfid vid koncentrationer högre än redovisat som giftigt för metanogener och sulfat reducerande bakterier. Å andra sidan, är det troligt att dehalogenering förmågan visas också i sedimenten genom att följa det protokoll som föreslås här, men det kan bero på den ursprungliga mikrobiella miljön. Detta antagande görs baserat på det faktum att reduktiva deklorering kan ske antingen genom andning eller cometabolism båda villkor som kan främjas i den marina mikrobiella samhället ^7. Odlingen av sedimenten att erhålla slammet utfördes genom användning av en blandning av acetat, propionat och butyrat som substrat, eftersom dessa flyktiga fettsyror används av flera stammar av sulfatreducerande bakterier. Dessa syror är också den typ av kolföreningar som ofta återfinns i marina sediment, enligt flera rapporter i litteraturen om kolhaltiga material i havssediment ^5,6.

innehåll "> Slutligen, några av de mest giftiga ämnen som finns i grundvatten och andra vattendrag runt om i världen är de klorerade lösningsmedel, såsom trikloretylen (TCE) eller perkloretylen (PCE). Dessa föreningar är giftiga, inte bara till människan, men även mikroorganismer, särskilt TCE, som fortfarande anses vara en prioriterad förorening av Environmental Protection Agency i USA ^8. I detta arbete har vi föreslagit ett experiment där sulfidogenic slam testas på sin förmåga att minska TCE vid koncentrationer som är i intervall rapporterats för klorföreningar biologisk nedbrytning i metanogena förhållanden ^9,10. Det är värt att nämna att de flesta av forskningen om biologisk nedbrytning av klorerade föreningar bedrivits under metanogena förhållanden ^9,10. Vi anser att försöket med TCE föreslås i detta protokoll är en bra exempel på de potentiella tillämpningarna av slammet. Syftet med detta experiment var att evärdera toleransen av slammet till TCE och TCE effekten på sulfat reducerande aktivitet. Med tanke på att de flesta av forskningen om biologisk nedbrytning av klorerade föreningar utförs under metanogena förhållanden, tyder detta protokoll bildandet av ett slam kan användas för att samtidigt: (1) avlägsna sulfat, (2) ta bort COD och (3) ta bort klorerade föreningar. Ett ytterligare steg skulle kunna vara att utvärdera slam på samtidigt avlägsnande av TCE och tungmetaller (förutom sulfat och COD), två villkor som inte kan utvärderas i metanogena förhållanden.

Protocol

Figur 1. System för stegen i protokollet. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 1. Samla marina sediment för bildning av slammet Identifiera en lättillgänglig Subsea område antingen nära hydrotermiska skorstenar (på grund av närvaron av sulfider, vilket k…

Representative Results

Ett typiskt uppträdande av sulfatreduktion i bioreaktorn visas i figur 5. Det är viktigt att lägga märke till att under de första veckorna av drift sulfatreduktion kommer att vara långsam. Emellertid långsam, förbrukningen av över 90% av sulfat med tiden indikerar att inokulatet utvecklar en mikrobiella förmåga att reducera sulfat och därför, anrikad i sulfatreducerande bakterier. De olika perioder i figuren visar att sulfatreduktion ökade sin hastighet över tiden. I bör…

Discussion

Det finns flera tillämpningar av sulfidogenesis i miljöbioteknik, en av de mest använda tillämpningar av metabolismen av sulfatreducerande bakterier i konsortier med jäsande bakterier i avloppsvattenrening. UASB reaktorer är bland de viktigaste tekniska metoder för industriellt avloppsvatten med höga sulfatkoncentrationer. I detta arbete presenterar vi ett protokoll för att erhålla sulfidogenic slam från marina sediment i en UASB reaktor. De kritiska stegen i protokollet för att erhålla en sulfidogenic slam…

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