方法文章

利用海洋沉积物培养产硫化物污泥及其在上流式厌氧污泥床反应器中还原三氯乙烯 海洋沉积物，产硫化物污泥，三氯乙烯，上流式厌氧污泥床反应器，生物还原，含氯有机物，硫酸盐还原菌

DOI：

10.3791/52956

⸱

2015年10月15日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Bioprocesses Department, Laboratory of Environmental Biotechnology, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Instituto Politécnico Nacional, 2Laboratory of Molecular Biology, Escuela Superior de Medicina, Instituto Politécnico Nacional

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

微生物硫酸盐还原是在环境生物技术中具有重要意义的过程。硫化反应器的成功运行在很大程度上取决于污泥的微生物组成。本文介绍了一种利用热液喷口沉积物在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中培养硫化污泥以实现还原性脱氯的实验方案。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

微生物硫酸盐还原的重要性在于其在环境生物技术中的多种应用。工程化的硫酸盐还原被用于工业废水处理，以去除高浓度的硫酸盐，同时降低化学需氧量（COD）和重金属含量。该过程最常用的方法是采用厌氧生物反应器，通过将主要为产甲烷的颗粒污泥逐步适应为产硫化物污泥来获得硫化物生成污泥。这一过程可能耗时较长，且由于污泥中仍存在产甲烷菌，无法完全消除对底物的竞争。在本研究中，我们提出一种获取产硫化物污泥的新方法，以热液喷口沉积物作为微生物的原始来源。在硫酸盐和挥发性脂肪酸共存条件下发育形成的微生物群落具有足够的多样性，能够长期维持硫酸盐还原活性，且不会因硫化物积累而受到抑制。

本方案描述了在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中，利用沉积物生成污泥的方法。此外，本方案还介绍了利用该污泥通过还原脱氯作用去除高毒性有机污染物三氯乙烯（TCE）的实验方法。本方案分为三个阶段：（1）在UASB反应器中形成污泥并测定其硫酸盐还原活性；（2）利用污泥去除TCE的实验；（3）在TCE还原完成后对污泥中微生物的鉴定。尽管本例中沉积物采自墨西哥某地，但采用本方法生成产硫污泥时，也可使用其他来源的沉积物，因为海洋沉积物是微生物的天然储库，其中可能富集硫酸盐还原菌。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

环境生物技术领域最重要的贡献之一是设计出能够在硫酸盐还原条件下运行的生物反应器，并利用污泥（接种物）实现这一过程。硫酸盐还原（SR）能够处理含有高浓度硫酸盐的废水，同时去除化学需氧量（COD）、重金属和有机污染物，这使得SR成为污泥的理想特性1。含有硫酸盐污染的出水实例来自制革、造纸、制药和化工制造等行业1。然而，大多数文献中所提及的产硫化物污泥，通常是指将产甲烷颗粒污泥适应于产硫化物过程而获得的污泥2。这种适应通常通过调节生物反应器中的COD/SO42-比值并添加化学物质抑制污泥中的产甲烷菌来实现2,3。除了产硫化物颗粒形成所需时间较长外，产甲烷菌与硫酸盐还原菌之间的竞争，以及污泥对高浓度硫化物的耐受性，都是当使用以产甲烷为主的污泥经适应获得产硫化物污泥时可能面临的主要问题。在本研究中，我们描述了从墨西哥纳亚里特州蓬塔米塔（Punta Mita, Nayarit, Mexico）热液喷口沉积物中，在上流式厌氧污泥床反应器（UASB）中获取以产硫化物为主的污泥的方法，随后评估其随时间变化的硫酸盐还原活性，并开展实验以评价其在还原性脱氯中的应用潜力。选择该沉积物采样地点的原因是已有报道指出，该区域由于栖息微生物群落表现出的硫酸盐还原活性，能够生成硫化物4。

与将产甲烷颗粒污泥驯化为产硫化物污泥相比，从沉积物中获取这种产硫化物污....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

利用海洋沉积物进行硫酸盐还原和三氯乙烯生物降解的上流式厌氧污泥床反应器流程图。
图1. 实验方案步骤示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

1. 收集海洋沉积物以制备污泥

  1. 选择一个易于接近的海底区域，该区域应靠近海底热液喷口（由于存在硫化物，可能表明硫酸盐还原活性较高），或靠近可检测到有机物残骸的区域。
  2. 本研究中，采集约3至4 kg的沉积物，并将样品中的水分沥干。将样品放入不透光的塑料袋中，无需冷藏。
  3. 样品运回实验室后，若不立即使用，应将装有样品的袋子置于冰箱中保存。本研究中，样品可在冰箱中保存数周至数月后再使用。
  4. 取大量沉积物样品（即，1至2 kg），使用适当的筛网（0.2 cm）去除沉积物中可能存在的较大碳质残骸或岩石碎片。
    注：本实验使用直径....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

生物反应器中硫酸盐还原的典型行为如图5所示。需要注意的是，在运行的最初几周，硫酸盐还原速度较慢。尽管如此，随着时间推移，超过90%的硫酸盐被消耗，表明接种物正在形成能够还原硫酸盐的微生物群落，即富集了硫酸盐还原菌。图中不同的阶段表明，硫酸盐还原速率随时间逐渐提高。在初期，每批次需要20天才能完成硫酸盐的还原（阶段I）；随后还原速率加快，约需10天即可将投加的硫酸盐还原（阶段II）。阶段III中硫酸盐还原的波动较小，平均耗时约10天，如图5所示。在此之后，硫酸盐还原平均仅需4天（阶段IV）；而在阶段V中，4,000 mg/L的硫酸盐在不到24小时内即被完全消耗。在运行200天后，生物反应器在水力停留时间（HRT）为24小时的条件下转为连续运行模式。

硫酸盐还原图，显示基于时间的化学需氧量和pH变化，实验数据分析。.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

硫化作用在环境生物技术中有多种应用，其中最常用的应用之一是硫酸盐还原菌与发酵菌共培养代谢，用于废水处理。上流式厌氧污泥床（UASB）反应器是处理高硫酸盐浓度工业废水的主要工程化方法之一。本文介绍了一种从海洋沉积物中在UASB反应器内获取硫化产泥的实验方案。从海洋沉积物中获得硫化产泥的关键步骤包括：（1）促进待装入反应器的沉积物样品的均质化；（2）提供适宜浓度的硫酸盐和挥发性脂肪酸（COD/SO42-）比例；（3）定期检测硫酸盐、硫化物、化学需氧量（COD）和pH值；（4）每次启动新批次时更换含有微量元素和维生素的基础培养基。需要注意的是，污泥的发育在很大程度上依赖于原始样品中的微生物群落结构以及准确的物料平衡（硫酸盐和COD）。尽管硫酸盐还原活性的建立需要一定时间，但生物反应器需持续监控，以避免泄漏、事故或临时断电导致循环泵停止运行或温度控制失效。在进行硫化物、硫酸盐和COD分析时必须格外注意操作的准确性。

海洋沉积物通常是多种微生物的天然来源；从不同深度采集的海洋沉积物可能形成污泥。本方案选择使用海底热液沉积物，主要有两个原因：（1）这.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者 Selene Montserrat García-Solares、Claudio Garibay-Orijel 和 Claudia Guerrero Barajas 于 2012 年作为发明人提交了名为“一种用于处理高硫酸盐和含氯化合物工业废水的厌氧处理工艺”的专利申请。该申请已通过形式审查阶段。该专利申请的权利人为墨西哥国立理工学院（Instituto Politécnico Nacional）。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者感谢墨西哥国立理工学院（Instituto Politécnico Nacional）提供的经费支持，项目编号为 20120110、20130399 和 20140239 SIP，同时也感谢墨西哥联邦区科学与技术研究所（Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal México）提供的资助（项目编号 PICS 08-79，ICYT-DF，2009–2012）。此外，感谢墨西哥国家科学技术委员会（CONACYT – México）为 Selene Montserrat García-Solares 提供的研究生奖学金（编号 225806）以及项目编号 82627 的经费支持。

....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
三氯乙烯 sigma Aldrich251402
cis-1,2-二氯乙烯sigma Aldrich
trans-1,2-二氯乙烯sigma AldrichD-62209
氯乙烯scotty标准品supelco氮气中1,000 ppm v/v
乙烯scotty标准品supelco纯度99%
泵Masterflex型号 7553-75
分光光度计任意
微量离心机任意
气密性注射器 任意100 和 200 微升
UASB玻璃反应器任意正在设计中
气相色谱仪 任意FID检测器
毛细管色谱柱 SPB-624supelco
pH计任意
氟橡胶管Masterflex
基础培养基试剂任意
微量元素试剂任意
维生素溶液试剂任意
硫酸钠任意
挥发性脂肪酸任意
化学需氧量（COD）测定试剂盒HACH测定范围 0–15,000 mg/L
TOPO-TA克隆试剂盒 pCR®4.0 Invitrogen, US
S.N.A.P. TM Miniprep试剂盒 Invitrogen, UK
Pure link TM Quick Plasmid Miniprep试剂盒Invitrogen

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Omil, F., Lens, P., Hulshoff, P., Lettinga, G.

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

16S rRNA

相关文章