Udvikling af Sulfidogenic Slam fra marine sedimenter og Trichlorethylen Reduktion i en opadgående strømning Anaerob Slam 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
Et af de vigtigste bidrag til miljømæssig bioteknologi var design af bioreaktorer, hvor slammet anvendes (inokulum) var i stand til at udføre under sulfat reducerende forhold. Sulfatreduktion (SR) tillader behandling af spildevandsstrømme, der indeholder høje koncentrationer af sulfat i tillæg til den samtidige fjernelse af COD, tungmetaller og organiske forurenende stoffer, et faktum, der gør SR en ønskelig egenskab af slammet 1. Nogle eksempler på spildevand forurenet med sulfat kommer fra garveri, papir, farmaceutiske og kemiske fremstillingsindustri 1. Meste af litteraturen refererer dog til sulfidogenic slam når metanfase granuleret slam er tilpasset sulfidogenesis 2. Denne tilpasning er almindeligt opnås ved at manipulere COD / SO 4 2- forhold i bioreaktoren og tilsætte kemikalier til at hæmme methanogener i slammet 2,3. Ud over den lange tid, may kræver dannelsen af de sulfidogenic granulat, konkurrencen mellem methanogener og sulfat reduktionsgear og tolerancen af slammet til høje koncentrationer af sulfid er nogle af de vigtigste problemer, der kan opstå, hvis sulfidogenic slam anvendt i bioreaktoren er fremstillet af tilpasningen af overvejende metanfase slam til sulfat reducerende betingelser. I dette arbejde, vi beskrive proceduren for at opnå en overvejende sulfidogenic slam fra hydrotermiske væld sedimenter (Punta Mita, Nayarit, Mexico) i en opstrøms anaerob slam tæppe reaktor (UASB), så vi vurdere dens sulfat reducerende aktivitet over tid og gennemføre et eksperiment at evaluere dens anvendelse på reduktiv dechlorering. Placeringen af sedimenter blev valgt, fordi det er blevet rapporteret, at på det pågældende sted er dannelsen af sulfider på grund af sulfat reducerende aktivitet udvist af det mikrobielle samfund lever det pågældende sted 4.
Der er several fordele ved at opnå denne sulfidogenic slam fra sedimenter i løbet tilpasse metanfase granuleret slam til sulfidogenesis. Nogle af disse fordele er: (1) det er ikke nødvendigt at danne granulat til bioreaktoren for at drive, (2) slammet tolererer relativt høje koncentrationer af sulfid i forhold til andre UASB der opererer med tilpasset metanfase slam og (3) er der ingen konkurrence om substrat med methanogener selvom acetat anvendes i blandingen af flygtige fedtsyrer, der er inkluderet i dyrkningsmediet for at fremme dannelsen af slammet.
Denne procedure blev fulgt for at fremme sulfidogenesis fordi marine sedimenter er en naturlig pulje af en bred vifte af mikroorganismer, såsom sulfat reducerende bakterier, gærende bakterier og bakterier dehalogenering blot at nævne nogle få 5,6. Den type konsortium udviklet sig fra marine sedimenter ved hjælp af denne protokol kan udvise effektivitet i sulfat reduktion og dermed, høje s ulfate reducerende aktivitet over tid og højere tolerance over for sulfid ved koncentrationer højere end den rapporteret som giftigt for methanogener og sulfat reducerende bakterier. På den anden side er det sandsynligt, at dehalogenering kapacitet også er vist i sedimenterne ved at følge protokollen foreslået her, men det kan afhænge af den oprindelige mikrobielle samfund. Denne antagelse er gjort baseret på det faktum, at reduktiv dechlorering kan ske enten ved respiration eller cometabolisme begge forhold, der kan fremmes i det marine mikrobielle samfund 7. Dyrkningen af sedimenter for at opnå slammet blev udført ved anvendelse af en blanding af acetat, propionat og butyrat som substrat, fordi disse flygtige fedtsyrer anvendes af flere stammer af sulfat reducerende bakterier. Disse syrer er også den type kulstofforbindelser ofte findes i marine sedimenter, ifølge flere rapporter i litteraturen om kulstofholdige materiale i havet sedimenter 5,6.
indhold "> Endelig er nogle af de mest giftige forbindelser, der findes i grundvand og andre vandområder rundt om i verden er de chlorerede opløsningsmidler, såsom trichlorethylen (TCE) eller perchlorethylen (PCE). Disse forbindelser er giftige, ikke blot til mennesket, men også for mikroorganismer, især TCE, som stadig betragtes som en prioritet forurenende af Environmental Protection Agency i USA 8.. I dette arbejde foreslog vi et eksperiment, hvor sulfidogenic slam testet på sin evne til at reducere TCE ved koncentrationer, der er i interval rapporteret for chlorerede forbindelser bionedbrydning under methanogene forhold 9,10. Det er værd at nævne, at det meste af den forskning om biologisk nedbrydning af klorerede forbindelser er blevet udført under methanogene forhold 9,10. Vi mener, at forsøget med TCE foreslås i denne protokol er en godt eksempel på de mulige anvendelser af slammet. Formålet med dette forsøg var at evaluate tolerancen af slammet til TCE og TCE virkning på sulfat reducerende virkning. Under hensyntagen til, at det meste af den forskning om biologisk nedbrydning af klorerede forbindelser udføres under metanogene betingelser, denne protokol foreslår dannelsen af et slam kan bruges til samtidig: (1) fjerne sulfat, (2) at fjerne COD og (3) fjern chlorerede forbindelser. Et yderligere skridt kunne være at vurdere slam på samtidig fjernelse af TCE og tungmetaller (foruden sulfat og COD), to betingelser, der ikke kan evalueres under methanogene forhold.Protocol
Representative Results
Discussion
Der er flere anvendelser af sulfidogenesis i miljømæssig bioteknologi, en af de mest brugte anvendelser af metabolismen af sulfat reducerende bakterier i konsortier med gærende bakterier er i spildevandsrensning. UASB reaktorer er blandt de vigtigste manipuleret tilgange til industriel spildevandsrensning med høje sulfat koncentrationer. I dette arbejde, præsenterer vi en protokol til at opnå sulfidogenic slam fra marine sedimenter i en UASB reaktor. De kritiske skridt i protokollen til at opnå en sul…
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).
