Sulfate reduction at acidic conditions: from the sediment to the reactor

Abstract

"Acid mine drainage is water polluted with heavy metals, sulfate, and acid as the result of some mining activities. Due its physicochemical characteristics, acid mine drainage is toxic, recalcitrant and difficult to treat. Currently, there is not a method that can fulfill economical and environmental needs to treat acid mine drainage. Off-line sulfidogenic bioreactors are a promising technology to treat acid mine drainage; however, it fails to stand acid stress and to completely oxidize organic matter, being acetate the most common byproduct. These limitations are a consequence of the physiological characteristics of sulfate reducing prokaryotes, the microorganisms responsible for the microbial activity in the sulfidogenic bioreactors. Acid resistance and substrate complete oxidation can be achieved in a community, where the activity of sulfate reducing prokaryotes can be enhance by the involvement of different microbial guilds. Unfortunately there is a lack in the understanding of how sulfate reducing communities work and the effect that the microbial composition has in its performance under acidic stress conditions. The aim of this work was to investigate the effect that microbial composition has in the performance of a sulfate reducing community at different conditions of acidic stress. To achieve our goal, we analyzed the changes of the microbial composition, structure and functional traits in a sulfate reducing community, during its enrichment from an environmental sample to its acclimation to acidic pH and its final application to treat synthetic acidic wastewater in a down-flow fluidized bed reactor. Molecular tools (PCR-DGGE and high-throughput sequencing) indicated that the community composition and structure changed along the path. Furthermore, analyses of the metabolic byproducts indicated a change in the structure of the community and the involvement of fermenting bacteria in the mineralization of the substrate. However, functional traits of the community such as electron donor removal and sulfate reduction rates and efficiencies were remained constant across the experiments, until the conditions were too harsh and all microbial activity halted. The stability of the community traits can be partially explained by a high redundancy in the predicted functional profiles. Moreover, collapse of the community activity appeared to be related to thermodynamical constrains and physiological barriers. This study demonstrates the functional stability of sulfate reducing communities at acidic stress conditions; yet, it also alerts of the inherent biological limitations that microorganisms have and urges for its consideration in the design of engineered biotechnological systems."

"El drenaje ácido de mina es el flujo de agua contaminada con metales pesados, sulfato y ácido proveniente de algunas actividades mineras. Debido a sus características fisicoquímicas, el drenaje ácido de mina es toxico, recalcitrante y difícil de tratar; actualmente, no existe ningún método que cumpla con las necesidades económicas y ambientales requeridas para su tratamiento. Una opción prometedora para llevar a cabo esta acción es el empleo de reactores sulfurogénicos. Sin embargo, los reactores sulfidogénicos cuentan con dos principales limitaciones para su uso: sensibilidad al estrés por ácido y la baja eficiencia para mineralizar la materia orgánica debido a la acumulación de acetato. Ambas limitaciones son consecuencia de las características fisiológicas de los microorganismos sulfato reductores, los cuales son los principales actores en los reactores sulfidogénicos. El empleo de comunidades microbianas es una opción factible para aumentar la resistencia al ácido y aumentar la eficiencia de degradación de la materia orgánica en los reactores sulfurogénicos; a través de la acción de diferentes gremios microbianos. Desafortunadamente existe una brecha en el conocimiento sobre como funcionan las comunidades sulfato reductoras en condiciones de estrés ácido y la relación que existe entre la composición de dichas comunidades y su funcionamiento. El objetivo de este trabajo fue investigar acerca de la relación que existe entre la composición microbiana y el desempeño de una comunidad sulfato reductora en condiciones de estrés ocasionado por pH acido. Para alcanzar esta meta, se analizaron los cambios en la composición, la estructura y las características funcionales de una comunidad sulfato reductora durante su enriquecimiento a partir de una muestra ambiental, en su aclimatación al pH ácido y en su aplicación en un reactor inverso de lecho fluidizado para el tratamiento de agua ácida sintética. Los análisis microbiológicos (PCR-DGGE y secuenciación masiva) indicaron que la composición de la comunidad cambió a lo largo del proceso; además, el análisis de los metabolitos extracelulares indicaron que la estructura de la comunidad también fue modificada, dando paso a la actividad fermentadora durante la mineralización del substrato. No obstante, las características funcionales de la comunidad, tales como las tasas y las eficiencias del consumo del donador de electrones y de la sulfato reducción, permanecieron con stantes a lo largo de los experimentos. Empero, se encontró con un lımite en el cual la presión ejercida por el estrés fue muy grande y la actividad microbiana se detuvo por completo. La estabilidad funcional del sistema puede ser explicada parcialmente por la alta redundancia funcional que se encontró en la predicción de perfiles funcionales de la comunidad. Mas aún, el colapso de la actividades microbianas parecieron relacionarse con limitaciones termodinámicas dentro de los sistemas estudiados. Este estudio demuestra que existe una estabilidad funcional de una comunidad sulfato reductora en condiciones de estrés por ácido a la vez que hace un llamado para evaluar las limitaciones biológicas inherentes a los microorganismos durante su aplicación en bioreactores. "