Name: development of sulfidogenic sludge from marine sediments and trichloroethylene reduction in an upflow anaerobic sludge blanket reactor
Uploaded: 2015-10-15T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Development of Sulfidogenic Sludge from Marine Sediments and Trichloroethylene Reduction in an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor at JoVE.com

The authors are grateful for the financial support provided by Instituto Polit&#233;cnico Nacional grants 20120110, 20130399 and 20140239 SIP and also by Instituto de Ciencia y Tecnolog&#237;a del Distrito Federal Mexico (PICS 08-79, ICYT-DF, 2009-2012). Thanks also to CONACYT &#8211; Mexico for the graduate scholarship (225806) awarded to Selene Montserrat Garc&#237;a-Solares and for the financial support provided by grant 82627.

<img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/52956/52956fig1highres.jpg" width="450" /> Figura 1. Esquema para os passos do protocolo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52956/52956fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 1. Recolha sedimentos marinhos para a Formação do Sludge <ol><li> Identificar uma área submarina acessível quer perto de fontes hidrotermais (devido à presença de sulfuretos, o ...

<ol>
	<li>Lens, P., Esposito, M. V. G., Zandvoort, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perspectives+of+sulfate+reducing+bioreactors+in+environmental+biotechnology.">Perspectives of sulfate reducing bioreactors in environmental biotechnology.</a> ReViews Environmental Science and Biotechnology. 1 (4), 311-325 (2002).</li><li>Omil, F., Lens, P., Hulshoff, P., Lettinga, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+biomass+from+a+sulfidogenic,+volatile+fatty+acid-degrading+granular+sludge+reactor.">Characterization of biomass from a sulfidogenic, volatile fatty acid-degrading granular sludge reactor.</a> Enzyme and MicrobialTechnology. 20, 229-236 (1997).</li><li>Lopes, S. I. C., Wang, X., Capela, M. I., Lens, P. N. 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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+propane+oxidation+in+marine+hydrocarbon+seep+sediments.">Anaerobic propane oxidation in marine hydrocarbon seep sediments.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, 2159-2169 (2011).</li><li>Futagami, T., Morono, Y., Terada, T., Kaksonen, A. H., Inagaki, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dehalogenation+activities+and+distribution+of+reductive+dehalogenase+homologous+genes+in+marine+subsurface+sediments.">Dehalogenation activities and distribution of reductive dehalogenase homologous genes in marine subsurface sediments.</a> Applied and Environmental Microbiology. 75 (21), 6905-6909 (2009).</li><li>U.S. Environmental Protection Agency. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=List+of+priority+pollutants.">List of priority pollutants.</a> Clean Water Methods. , (2014).</li><li>Ozdemir, C., Dursun, S., Karatas, M., Sen, N., Sahinkaya, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Removal+of+trichloroethylene+(TCE)+in+upFlow+anaerobic+sludge+blanket+reactors+(UASB).">Removal of trichloroethylene (TCE) in upFlow anaerobic sludge blanket reactors (UASB).</a> Biotechnology and Biotechnological Equipment. 21 (1), 107-112 (2007).</li><li>Zhang, Y., Wang, X., Hu, M., Li, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+hydraulic+retention+time+(HRT)+on+the+biodegradation+of+trichloroethylene+wastewater+and+anaerobic+bacterial+community+in+the+UASB+reactor.">Effect of hydraulic retention time (HRT) on the biodegradation of trichloroethylene wastewater and anaerobic bacterial community in the UASB reactor.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 99, 1977-1987 (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).</li><li>Guerrero-Barajas, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+sulfate+reduction+and+trichloroethylene+(TCE)+biodegradation+in+a+UASB+reactor+operated+with+sludge+developed+from+hydrothermal+vents+sediments:+process+and+microbial+ecology.">Enhanced sulfate reduction and trichloroethylene (TCE) biodegradation in a UASB reactor operated with sludge developed from hydrothermal vents sediments: process and microbial ecology.</a> International Biodeterioration and Biodegradation. 94, 182-191 (2014).</li><li>Tr&#252;per, H. G., Schlegel, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulphur+metabolism+in+Thiorhodaceae+I.+Quantitative+measurements+on+growing+cells+of+Chromatium+okenii.">Sulphur metabolism in Thiorhodaceae I. Quantitative measurements on growing cells of Chromatium okenii.</a> Antoine van Leeuwenhoek. 30, 225-238 (1964).</li><li>Gallegos-Garc&#237;a, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biological processes of sulfate reduction in biofilms for metals precipitation [Ph D thesis]. , (2009).</li><li>Guerrero-Barajas, C., Garibay-Orijel, C., Rosas-Rocha, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfate+reduction+and+trichloroethylene+biodegradation+by+a+marine+microbial+community+from+hydrothermal+vents+sediments.">Sulfate reduction and trichloroethylene biodegradation by a marine microbial community from hydrothermal vents sediments.</a> International Biodeterioration and Biodegradation. 65, 116-123 (2011).</li></ol>

Existem várias aplicações de sulfidogenesis em biotecnologia ambiental, uma das aplicações mais utilizadas do metabolismo de bactérias redutoras de sulfato em consórcios com bactérias fermentadoras está em tratamento de águas residuais. Reatores UASB estão entre as principais abordagens de engenharia para tratamento de efluentes industriais com elevadas concentrações de sulfato. Neste trabalho, apresentamos um protocolo para obter lodo sulfidogenico de sedimentos marinhos em um reator UASB. Os passos críti...

Uma das contribuições mais importantes para a biotecnologia ambiental foi o projeto de biorreatores em que o lodo utilizado (inóculo) foi capaz de realizar em condições redutoras de sulfato. Redução do sulfato (SR) permite que o tratamento de fluxos de águas residuais que contêm elevadas concentrações de sulfato de para além da remoção simultânea de COD, metais pesados ​​e poluentes orgânicos, um facto que torna SR uma característica desejável das lamas 1. Alguns exemplos de efluentes contaminados com sulfato de vir de curtumes, papel, farmacêutica e manufatura química indústrias 1. No entanto, a maioria da literatura refere-se a sulfidogenico lamas quando lodo granular metanogênica foi adaptado para sulfidogenesis 2. Esta adaptação é normalmente alcançada através da manipulação do COD / SO 4 2- ratio no biorreactor e adição de produtos químicos para inibir metanógenos na 2,3 lamas. Em adição ao longo tempo que may requerem a formação dos grânulos sulfidogenico, a competição entre os metanogenos e redutores de sulfato e a tolerância da lama a altas concentrações de sulfureto são alguns dos principais problemas que podem surgir se a lama sulfidogenico utilizado no bioreactor é obtido a partir da adaptação de predominantemente lamas methanogenic a sulfato condições redutoras. Neste trabalho, descrevemos o procedimento para obter uma lama predominantemente sulfidogenico de fontes hidrotermais sedimentos (Punta Mita, Nayarit, México) em um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), em seguida, avaliar a sua sulfato de reduzir a atividade ao longo do tempo e realizar um experimento para avaliar a sua aplicação em descloração redutiva. A localização dos sedimentos foi escolhido porque ele tem sido relatado que, nesse local, há formação de sulfuretos, devido à actividade de redução de sulfato exibida pela comunidade microbiana que habitam em particular lugar 4. Há Severvantagens al na obtenção deste lodo sulfidogenico de sedimentos sobre a adaptação do lodo granular methanogenic para sulfidogenesis. Algumas destas vantagens são: (1) não é necessária para formar os grânulos para o biorreactor de operar, (2) as lamas tolera concentrações relativamente elevadas de sulfureto quando comparado a outros UASB que operam com lamas metanogênica adaptado, e (3) não está nenhuma competição para substrato com metanógenos mesmo de etilo é usado na mistura de ácidos gordos voláteis que está incluído no meio de cultura para promover a formação do lodo. Este procedimento foi seguido para promover sulfidogenesis porque sedimentos marinhos é uma associação natural de uma grande variedade de microorganismos, tais como bactérias redutoras de sulfato, da fermentação de bactérias e bactérias desalogenação apenas para mencionar alguns 5,6. O tipo de consórcio desenvolvido a partir de sedimentos marinhos utilizando este protocolo pode apresentar eficiência na redução de sulfato e, portanto, altas s<html> ulfate redução da atividade ao longo do tempo e maior tolerância ao sulfeto em concentrações mais elevadas do que o reportado como tóxico para methanogens e bactérias redutoras de sulfato. Por outro lado, é provável que a capacidade de desalogenação também é mostrado nos sedimentos, seguindo o protocolo proposto aqui, mas pode depender da comunidade microbiana inicial. Esta suposição é feita com base no fato de que descloração redutiva pode ocorrer pela respiração ou co-metabolismo, ambas as condições que podem ser promovidos na comunidade microbiana marinha 7. O cultivo dos sedimentos para obter a lama foi realizada usando uma mistura de acetato, propionato e butirato como substrato, porque estes ácidos gordos voláteis são utilizados por várias estirpes de bactérias redutoras de sulfato. Estes ácidos também são o tipo de compostos de carbono frequentemente encontrados em sedimentos marinhos, de acordo com vários relatos na literatura sobre material carbonáceo em sedimentos marinhos 5,6. conteúdo &quot;&gt; Finalmente, alguns dos compostos mais tóxicas que estão presentes nas massas de água subterrânea e outra de água em todo o mundo são os solventes clorados tais como tricloroetileno (TCE) ou tetracloroetileno (PCE). Estes compostos são tóxicos, não só para o ser humano, mas também para microorganismos, particularmente TCE, que ainda é considerado um poluente prioritária pela Agência de Proteção Ambiental em os EUA 8. Neste trabalho propôs um experimento no qual a lama sulfidogenico é testado em sua capacidade de reduzir TCE em concentrações que estão na faixa relatada por compostos clorados biodegradação sob condições metanogênicas 9,10. Vale ressaltar que a maioria das pesquisas sobre a biodegradação de compostos clorados tem sido conduzida sob condições metanogênicas 9,10. Consideramos que a experiência com TCE proposto neste protocolo é um bom exemplo das aplicações potenciais do lodo. O objetivo deste experimento foi para eavaliar a tolerância das lamas ao TCE e o efeito sobre o sulfato de TCE redução da actividade. Tendo em conta que a maior parte da investigação sobre a biodegradação de compostos clorados é levada a cabo sob condições metanogénicas, este protocolo sugere a formação de uma lama pode ser utilizada para, simultaneamente: (1) remover o sulfato, (2) remover o COD e (3) remover compostos clorados. Um passo adicional pode ser a de avaliar a lama sobre a remoção simultânea de TCE e metais pesados ​​(em adição ao sulfato e COD), duas condições que não podem ser avaliadas sob condições metanogénicas.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>trichloroethylene&#160;</td>
			<td>sigma Aldrich</td>
			<td align="right">251402</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cis- 1,2 dichlorotehylene</td>
			<td>sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>trans-1,2 dichloroethylene</td>
			<td>sigma Aldrich</td>
			<td>D-62209</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>vinyl chloride scotty standard</td>
			<td>supelco</td>
			<td></td>
			<td>1000 ppm v/v in nitrogen</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ethene scotty standard</td>
			<td>supelco</td>
			<td></td>
			<td>99% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pump</td>
			<td>Masterflex</td>
			<td></td>
			<td>Model 7553-75</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>spectrophotometer</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microcentrifuge</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gas tight syringes&#160;</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>100 and 200 microliters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UASB glass reactor</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>under design</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gas chromatograph&#160;</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>FID detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>capillary column SPB-624</td>
			<td>supelco</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH meter</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>viton tubing</td>
			<td>Masterflex</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>basal medium reagents</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>trace metals reagents</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>vitamins solution reagents</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sodium sulfate</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>volatile fatty acids</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COD determination kit</td>
			<td>HACH</td>
			<td></td>
			<td>range 0-15000 mg/L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TOPO-TA cloning kit pCR&#174;4.0&#160;</td>
			<td>Invitrogen, US</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>S.N.A.P. TM Miniprep Kit&#160;</td>
			<td>Invitrogen, UK</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pure link TM Quick Plasmid Miniprep kit</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of sulfidogenic sludge from marine sediments and trichloroethylene reduction in an upflow anaerobic sludge blanket reactor

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.

Um comportamento típico da redução do sulfato no bioreactor é mostrado na Figura 5. É importante notar que, durante as primeiras semanas de redução de sulfato de operação será lenta. No entanto lento, o consumo de mais de 90% de sulfato de ao longo do tempo indica que o inoculo é o desenvolvimento de uma comunidade microbiana capaz de reduzir e, portanto, sulfato, enriquecida em bactérias redutoras de sulfato. Os diferentes períodos na figura indicam que a redução de sulf...

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Development of Sulfidogenic Sludge from Marine Sediments and Trichloroethylene Reduction in an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

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.

Desenvolvimento de sulfidogenico Sludge de sedimentos marinhos e Redução Trichloroethylene em um Reator Anaeróbio de Manta de Lodo

The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate ...

Research

JoVE Journal

Environment

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