Enrichment and application of a high-performance sulfate-reducing microbial community to treat acidic streams

Abstract

"Las corrientes ácidas, como el drenaje ácido de minas (DAM) tienen un pH bajo (pH < 4) y altas concentraciones de metales y sulfatos. Los microorganismos sulfato-reductores (SR) pueden ayudar a remediar las corrientes ácidas. Un inconveniente de la sulfato-reducción es que algunos SR no oxidan completamente el sustrato a CO2 y el ácido acético puede permanecer como subproducto, afectando la eficiencia del proceso. Nuestro objetivo fue operar un reactor sulfidogénico continuo a pH ácido en condiciones sulfato-reductoras. Inicialmente, mediante transferencias sucesivas, variaciones en los donadores de electrones (lactato y glicerol), y niveles de pH (3 ó 4), conseguimos cultivar siete consorcios sulfidogénicos que metabolizaban eficazmente el acetato generado a partir de la oxidación incompleta del sustrato. Además, se evaluaron simultáneamente diversos materiales de soporte en el consorcio utilizando glicerol como donador de electrones a un pH inicial de 3 para facilitar el desarrollo de biopelícula sobre carbón activado granular (CAG), perlas de vidrio, y zeolita. En los tres casos se logró la formación exitosa de biopelículas sulfato-reductoras, aunque sólo las perlas de vidrio y la zeolita mostraron una degradación completa del acetato. Estos resultados sugieren que la zeolita favoreció a microorganismos sulfato-reductores capaces de oxidar completamente el glicerol y acetato en condiciones ácidas iniciales, lo que sirvió de base para la posterior inoculación del reactor continuo. Inoculamos un reactor continuo de biopelícula inmovilizada utilizando zeolita como material de soporte para tratar medios sintéticos extremadamente ácidos (pH 2.5 a 1.7) suplementados con glicerol como sustrato. Se evaluó la eficiencia de sulfato-reducción, los productos y su tolerancia al medio ácido en continuo variando y controlando el pH dentro del reactor de 5.0 – 3.0 en 159 días. El reactor alcanzó una eficiencia de sulfatoreducción en los periodos más ácidos de ~60%, y no se acumuló acetato/ácido acético. El análisis del gen 16S rRNA en muestras de los experimentos en continuo y en lote mostró que los SR alcanzaron una abundancia relativa mayor en las comunidades microbianas del reactor en continuo, comparado con los experimentos en lote. En condiciones continuas, los SR proliferaron hasta tener once taxones en comparación con los cultivos en lote. De éstos, los miembros que pertenecen a Desulfofarcimen, Desulfatirhabdium, y Desulfobacter pueden utilizar acetato para sulfato-reducción a pH ácido tan bajo como 3.0 Este resultado podría deberse a la preferencia de la comunidad microbiana por el pH ácido, resaltando la importancia de realizar un seguimiento de la comunidad microbiana a lo largo de los experimentos continuos y adquirir un mejor control y conocimiento del rendimiento del reactor. Este trabajo nos permitió describir la importancia de buscar comunidades acidófilas reproducibles que puedan oxidar completamente el acetato."

"Acidic streams, such as AMD, have low pH (pH < 4 ) and high metal and sulfate concentrations. SRM can help to remediate acidic streams. One drawback of sulfate reduction is that some SRM does not completely oxidize the substrate to CO2, and acetic acid may remain as byproduct, affecting the process efficiency. To overcome these limitations, we aimed to operate a sulfidogenic continuous reactor at acidic pH under sulfate-reducing conditions. Initially, through successive transfers, variations in electron donors (lactate and glycerol), and pH levels (3 or 4), we managed to cultivate seven sulfate-reducing consortia that effectively metabolized acetate generated from the incomplete oxidation of the substrate. Furthermore, various carrier materials were tested simultaneously in the consortium using glycerol as the electron donor at a starting pH of 3 to facilitate biofilm development on GAC , glass beads, and zeolite. Sulfate-reducing biofilm formation was successful in the three cases but only glass beads and zeolite exhibited complete acetate degradation. These findings suggest that zeolite favored specific sulfate-reducing microorganisms capable of fully oxidizing glycerol under initial acidic conditions, which was the subsequent inoculation of the continuous reactor. We inoculated a continuous biofilm reactor with immobilized biomass using zeolite as the carrier material for treating extremely acidic synthetic media (pH 2.5 to 1.7) supplemented with glycerol as the electron donor. The sulfate-reduction efficiency, byproducts, and tolerance to continuous acidic media were evaluated, varying and controlling the pH inside the reactor from 5.0 – 3.0 in 159 days. The reactor reached a sulfate-reduction efficiency in the most acidic periods of ~60%, acetate/acetic acid did not accumulate. Analysis by 16S rRNA gene amplicon sequencing of samples from the continuous and batch experiments showed a higher relative abundance of SRM in the microbial communities of the continuous reactor compared with those of the batch experiments. In continuous conditions, sulfate-reducing proliferated to eleven taxa in comparison to batch cultures. From these, members belonging to Desulfofarcimen, Desulfatirhabdium, and Desulfobacter could use acetate for sulfate reduction at acidic pH as low as 3.0. This result could be due to the microbial community's preference for acidic pH. It highlights the importance of tracking the microbial community throughout the continuous experiments and acquiring better control and knowledge of the reactor performance. This work allowed us to describe the importance of searching for acidophilic reproducible communities that can completely oxidize acetate."