Estudio fisiológico y molecular de un consorcio microbiano en condiciones sulfatorreductoras Pubblico Deposited
El presente trabajo contribuye al estudio del proceso de sulfatorreducción, así como al entendimiento de las interacciones entre la respuesta fisiológica dentro de un consorcio en condiciones sulfatorreductoras y la estructura de la comunidad microbiana presente. Se estudió el efecto de la velocidad de carga y la influencia del sulfuro sobre la eliminación de sulfato y carbono orgánico total, la cual fue evaluada a través de variables de respuesta tales como eficiencias de consumo, rendimientos de producto y velocidades específicas de consumo de sustrato. Para profundizar en el estudio sobre las interacciones entre la respuesta fisiológica y la estructura microbiana se utilizaron técnicas de biología molecular como la amplificación al azar del ADN polimórfico (RAPD) y la técnica de separación de ADN por electroforesis en gel con gradientes desnaturalizantes (DGGE). Asimismo, las bandas del gel de DGGE fueron secuenciadas y analizadas filogenéticamente. En todos los casos se utilizó el mismo consorcio (lodo), en condiciones sulfatorreductoras y fisiológicamente estable. Para determinar el efecto de diferentes velocidades de carga de sulfato (VCS, 290 a 981 mg S-SO4/Ld) y lactato a una relación C/S estequiométrica (0.75) sobre el proceso sulfatorreductor (PSR) se utilizó un reactor continuo de lecho anaerobio de flujo ascendente (UASB). Se realizaron ensayos en cultivo en lote para evaluar el efecto diferentes concentraciones iniciales de sulfuro (0 a 200 mg S-sulfuro/L) sobre las variables de respuesta fisiológicas del PSR. Asimismo, se evaluó la dinámica de la comunidad microbiana del ADN total, de la comunidad bacteria y arquea en el reactor UASB a las cinco velocidades de carga de sulfato y lactato. Los resultados en el UASB, mostraron que con el incremento de la VCS, las eficiencias de consumo de carbono orgánico total y de sulfato disminuyeron de 93±3 a 66%±2 y de 60±5 a 45%±4, respectivamente. Las eficiencias de consumo de lactato fueron cercanas al 100%. Se acumularon acetato y propionato. Los rendimientos de sulfuro disuelto fueron constantes y cercanos a uno, mientras los rendimientos de biomasa y metano fueron muy bajos en todos los casos. La concentración de sulfuro más alta fue de 385 ± 45 mg S-sulfuro/L. La relación producto/biomasa fue de 52 mg S-sulfuro/g sólidos suspendidos volátiles (SSV). En los cultivos en lote, en el control con lactato sin sulfato se observó la fermentación del lactato a acetato y propionato. Cuando estuvieron presentes lactato y sulfato hubo fermentación y sulfatorreducción. Cuando se adicionó sulfuro, ˙nicamente se presentó el PSR. Las velocidades específicas de consumo de acetato y propionato fueron hasta once veces menores que las velocidades específicas de consumo de lactato. A una concentración mayor que 150 mg S-sulfuro/L se observó una disminución de las eficiencias de consumo, rendimientos de producto y velocidades específicas de consumo. El análisis de la relación sulfuro/SSV mostró que el descenso en las eficiencias de consumo y la acumulación de acetato y propionato en el reactor continuo UASB no estuvieron relacionados con la inhibición por sulfuro, sino con una baja velocidad específica de consumo de acetato y propionato. El análisis de las secuencias del gen 16S ADNr, mostró la presencia de cepas relacionadas con la sulfatorreducción de lactato y acetato, bacterias fermentativas de lactato y metanogénicas. Los resultados indicaron que el proceso respiratorio en estado estacionario a 290 mg S-SO4/Ld estuvo relacionado con una comunidad microbiana estable. Se observaron pocos cambios en la comunidad microbiana con el incremento de la VCS. El análisis de datos de los patrones de bandas mediante los índices de diversidad (H), equidad (J) y el coeficiente de similitud (C) indicó una comunidad microbiana diversa, equitativa y similar mayor que 73%, independientemente de los cambios en la VCS y la concentración de sulfuro. Estos resultados sugirieron que la disminución en los valores de eficiencias de consumo del PSR no estuvo relacionada con los cambios en la comunidad microbiana o con un efecto tóxico del sulfuro.
This study represents a contribution to the knowledge of sulfate reducing process (SRP) and understanding of the relationship between the functional performances in a consortium sulfate reducing and the structure of the microbial community. The effect of loading rate and the influence of sulfide on the elimination of sulfate and total organic carbon was evaluated by means of consumption efficiencies, yield products and specific consumption rates of substrate. Molecular techniques such as random amplified polymorphic DNA (RAPD) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) were used in order to understand the relationship between the structure of the microbial population and functional performance. DGGE bands were sequenced and the phylogeny was analyzed. Stabilized sulfate reducing sludge was used as inoculum in all assays. An upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor was set up in order to examine the effect of different sulfate loading rates (SLR, 290 to 981 mg SO4-S/Ld) and lactate at a stoichiometric C/S ratio of 0.75 on SRP. In batch culture the effect of different initial sulfide concentration (0 to 200 mg sulfide-S/L) on SRP was evaluated. The dynamic of total, bacterial and archaeal communities in the UASB reactor at the five loading rates of sulfate and lactate, were evaluated. The results in the UASB reactor showed that when SLR increased, the total organic carbon and sulfate consumption efficiencies decreased from 93 ± 3 to 66% ± 2 and 60 ± 5 to 45% ± 4, respectively, while lactate consumption efficiencies were close to 100%. Acetate and propionate were accumulated. The sulfide dissolved yield was constant and close to one, whereas biomass and methane yields were very low in all cases. The biggest sulfide concentration was 385 ± 45 mg sulfide-S/L. The product/biomass ratio was 52 mg sulfide-S/g Volatile Suspended Solids (VSS). In batch culture, it was observed in the control assays with lactate (without add sulfate) the fermentation to acetate and propionate. When lactate and sulfate were added, SRP and fermentation were observed. When sulfide was added only SRP was observed. The specific consumption rates of acetate and propionate were eleven times lower than specific consumption rate of lactate. At concentrations higher than 150 mg sulfide-S/L the efficiencies, yields and specific consumption rates decreased. Based on the sulfide- S/Volatile Suspended Solid ratio, it was found that the decrease in consumption efficiency and accumulation of acetate and propionate in the UASB reactor was not related to sulfide inhibition but to the specific consumption rates low of acetate and propionate. The sequence analysis of 16S rDNA genes, showed the presence of microorganisms responsible of the sulfate reduction of lactate and acetate, the presence of fermentative bacteria of lactate and methanogenic. Results indicated that the respiratory steady state at 290 mg SO4-S/Ld was related with a microbial community principally stable. As the SLR increased few changes in the microbial community were observed. The indices of diversity (H), equitability (J) and similarity (C) used to analyze the band pattern indicated a diverse, evenness and similar up to 73% microbial community irrespectively to SLR changes and sulfide concentration. These results suggest that the diminishing in the consumption efficiencies values of the SRP was not related with the changes observed in the microbial community or with a toxic effect of sulfide.
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