Benzotriazole (BT) is a corrosion inhibitor widely distributed in aquatic environments and one of the most recalcitrant emerging organic contaminants (EOCs) during the biological treatment of wastewater. Recently, microbial cometabolism has been reported as crucial for the biotransformation of EOCs. Cometabolism was described as the transformation of non-growth substrate in the obligatory presence of a growth-substrate or another energy source. Little is known about the cometabolic capacity of stabilized nitrifying sludge to biotransform BT. In the first part of the present study, the contribution of the nitrification process in the simultaneous oxidation of ammonium and biotransformation of BT (5 mg/L) was evaluated in 49 d batch cultures inoculated with a sludge produced in steady-state nitrification. It was found that the nitrifying sludge could consume BT in the obligate presence of ammonium. Moreover, when the initial ammonium concentration was increased from 100 to 300 mg N/L, 2.3- and 5.8-fold increases were obtained in efficiency and specific rate of BT removal, respectively. These results evidenced a higher cometabolic capacity of the nitrifying sludge for biotransforming BT, being ammonium the main energy source. At 300 mg NH4 + -N/L, the sludge biotransformed 40.8% of BT and 77.6% of ammonium which was completely oxidized into nitrate. By using allylthiourea as specific inhibitor of ammonium monooxygenase (AMO), it was shown that the totality of BT cometabolic biotransformation was associated with the AMO activity of ammonium oxidizing bacteria. The addition of acetate as an energy source for the heterotrophic organisms or the nitrifying sludge did not favor the biotransformation of BT. BT provoked inhibitory effects on nitrification, causing decreases of 93.4-99.7% for specific rate of ammonium oxidation and 90.3-99.5% for specific rate of nitrate production. In the second part of the study, a SBR reactor with discontinuous flow was used to evaluate the biotransformation of BT under nitrifying conditions with increasing concentrations of ammonium. The operation of SBR was divided in four phases: a) cycles 1 to 14 with 300 mg NH4 + -N/L without BT, it had a duration of two days; b) cycles 15 to 20 with 300 mg NH4 + -N/L and 5 mg BT/L; c) cycle 21 with 400 mg NH4 + -N/L and 5 mg BT/L; d) cycles 22 to 25 with 500 mg NH4 + -N/L and 5 mg BT/L. All cycles with BT addition lasted 35 days. Firstly, it was confirmed that the sludge obtained from a continuous nitrifying reactor had a stable and nitrifying respiratory activity through 14 cycles of operation with 300 mg NH4 + -N/L without BT, obtaining efficiencies of ammonium consumption of 99.5% ± 0.6% and nitrate yields close to 1. In cycle 15, the first cycle of BT addition (5 mg/L), the nitrifying sludge had the capacity to consume 31.4% of BT after 35 days of operation of the SBR reactor. From cycle 15 to cycle 20 (300 mg NH4 + -N/L and 5 mg BT/L), the efficiency of BT consumption was maintained at 32.2 ± 1.5%, the efficiency of ammonium consumption at 100% and nitrate yields close to 1. By increasing the initial ammonium concentration (300 to 500 mg N/L), increases of 2.1- and 1.7-fold were reached for efficiency and specific rate of BT removal, respectively, indicating that the cometabolic consumption of BT by the ammonium oxidizing bacteria was favored under these conditions. In cycle 22, at 500 mg NH4 + -N/L in the SBR reactor, the sludge biotransformed 63% of BT. Regarding the nitrifying process in the presence of BT (cycle 15 to cycle 25), an ammonium consumption efficiency of 100% was maintained without nitrite accumulation and a nitrate yield close to one. Although the specific rates of ammonium consumption and nitrate formation were affected by the presence of BT, the nitrifying metabolic pathway was not affected since all the ammonium consumed was transformed to nitrate as final product of nitrification. This study shows the role of ammonium oxidizing bacteria in the cometabolic biotransformation of BT and their potential use for cometabolism application in treatment of wastewater contaminated with ammonium and BT.
El benzotriazol (BT) es un inhibidor de corrosión ampliamente distribuido en ambientes acuáticos y uno de los contaminantes orgánicos emergentes (EOCs) más recalcitrantes durante el tratamiento biológico de aguas. Recientemente, se ha reportado que el cometabolismo microbiano puede ser crucial para la biotransformación de los EOCs. El cometabolismo es definido como la transformación de un sustrato de no crecimiento en la presencia obligatoria de un sustrato de crecimiento u otra fuente de energía. Se sabe poco sobre la capacidad cometabólica de lodos nitrificantes estabilizados para biotransformar el BT. En la primera parte del presente estudio, se evaluó la contribución del proceso de nitrificación en la oxidación simultáneos de amonio y biotransformación del BT (5 mg/L) en cultivos en lote de 49 d, inoculados con un lodo producido bajo condiciones nitrificantes en estado estacionario. Se encontró que el lodo nitrificante pudo consumir BT en la presencia obligada de amonio. Además, al aumentar la concentración inicial de amonio (100 - 300 mg N/L), se obtuvieron incrementos de 2.3 y 5.8 veces en la eficiencia y la velocidad específica de consumo de BT, respectivamente. Estos resultados evidenciaron una mayor capacidad de biotransformación cometabólica del BT por parte del lodo nitrificante, con el amonio fungiendo como principal fuente de energía. A 300 mg de N-NH4 + /L, el lodo tuvo la capacidad de biotransformar el 40.8% de BT y el 77.6% de amonio el cual fue completamente oxidado a nitrato. Al usar aliltiourea como inhibidor específico de la enzima amonio monooxigenasa (AMO), se demostró que la totalidad de la biotransformación cometabólica del BT estuvo asociada con la actividad de la AMO de las bacterias amonio oxidantes. La adición de acetato como fuente de energía para los organismos heterótrofos del lodo nitrificante no favoreció la biotransformación del BT. El BT provocó efectos inhibitorios sobre la nitrificación, causando una disminución de 93.4-99.7% en la velocidad específica de oxidación de amonio y de 90.3- 99.5% en la velocidad específica de producción de nitrato. En la segunda parte del estudio, se utilizó un reactor SBR con flujo discontinuo para evaluar la biotransformación del BT bajo condiciones nitrificantes con concentraciones crecientes de amonio. La operación del reactor se dividió en cuatro fases: a) ciclos 1 a 14 con 300 mg N/L de amonio sin BT con una duración de dos días; b) ciclos 15 a 20 con 300 mg N/L de amonio y 5 mg BT/L; c) ciclo 21 con 400 mg N/L de amonio y 5 mg BT/L; d) ciclos 22 a 25 con 500 mg N/L de amonio y 5 mg BT/L. Todos los ciclos con BT duraron 35 días. Primeramente, se corroboró que el lodo proveniente de un reactor continuo nitrificante mantuviera una actividad respiratoria nitrificante y estable a través de los 14 ciclos de operación con 300 mg N-NH4 + /L sin BT, obteniéndose eficiencias de consumo de amonio de 99.5 ± 0.6% y rendimientos de nitrato cercanos a 1. En el ciclo 15, primer ciclo de adición de BT (5 mg/L), el lodo nitrificante tuvo la capacidad de consumir un 31.4% del BT después de 35 días de operación del reactor SBR. Del ciclo 15 al ciclo 20 (300 mg N-NH4 + /L y 5 mg BT/L) se mantuvo una eficiencia de consumo de BT del 32.2 ± 1.5%, de amonio del 100% y rendimientos de nitrato cercanos a 1.Al incrementar la concentración inicial de amonio (de 300 a 500 mg N/L), se propició un incremento de 2.1 veces en la eficiencia de consumo de BT y de 2.4 veces en su velocidad específica, indicando que el consumo cometabólico del BT por las bacterias amonio oxidantes fue favorecido bajo estas condiciones. En el ciclo 22, con 500 mg N/L de amonio en el reactor SBR, el lodo tuvo la capacidad de biotransformar el 65.9% del BT. Respecto al proceso nitrificante en presencia de BT (del ciclo 15 al ciclo 25), se mantuvo una eficiencia de consumo de amonio del 100% sin acumulación de nitrito y un rendimiento de nitrato cercano a uno. Aunque las velocidades específicas de consumo de amonio y formación de nitrato se vieron afectadas por la presencia de BT, la ruta metabólica nitrificante no se vio afectada ya que todo el amonio consumido fue transformado hasta nitrato como producto final de la nitrificación. Este estudio muestra el papel de las bacterias amonio oxidantes en la biotransformación cometabólica del BT y su uso potencial para la aplicación del cometabolismo en el tratamiento de aguas residuales contaminadas con amonio y BT.
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