Efecto inhibitorio del sulfuro sobre un proceso respiratorio nitrificante Público Deposited

Water pollution is a serious problem affecting Mexico and the world. This contamination is given by high concentrations of carbon, nitrogen and sulfur compounds, among others. Sewage can come from industries or households. This water is dropped in receiving aquifers without being treated, causing eutrophication pollution phenomena as well as serious damage to human health and the environment. The main nitrogen pollutant is ammonia and sulfide in the case of sulfur compounds, as this compound is highly toxic and corrosive. Ammonia and sulfide can be found in a large amount of industrial effluents such as petrochemical, food processing, paper, just to name a few, observing high concentrations of these two pollutants. One possible way of treating water contaminated by ammonium is nitrification-denitrification. Nitrification is a chemolithoautotrophic respiratory process where ammonium is oxidized to nitrite and subsequently to nitrate. Nitrate is then reduced to nitrogen gas by denitrification. Little is known about the effect of sulfide on the nitrifying respiratory process. Some authors mention that sulfide causes inhibitory effects on nitrification, but these studies do not show kinetic data or response variables as evidences to these assumptions, so it is not known whether sulfide causes inhibition or its toxicity affects the respiratory nitrifying process. For these reasons the aim of this study was to extend the information on the effect of sulfide on nitrification by using response variables such as efficiency of ammonium consumption and yields of nitrite and nitrate formation, and kinetic variables such as specific rates for ammonium consumption and nitrate formation, which determine the effect of sulfide on nitrification. This study was conducted in batch cultures inoculated with the nitrifying sludge from a continuous stirred tank reactor at steady state. In this reactor the efficiency of ammonium consumption (E-NH₄⁺ ) was of 100% ± 3.4 and the yield of nitrate production (YNO3-) of 0.96 ± 0.09. In batch cultures without sulfide, the nitrifying process was carried out successfully under the experimental conditions used, obtaining that after 24h, the E-NH₄⁺ was 100% ± 2.3 and YNO3- of 0.88 ± 0.04. The specific rates of NH₄⁺ -N consumption and NO3 - -N production were 0.095 ± 0.01 and 0.088 ± 0.009 mg N/mg protein h, respectively. By adding sulfide to nitrifying cultures at initial concentrations of 112 ± 2.5, 58 ± 2.5 and 13 ± 0.7 mg HS- -S/L the specific speeds decreased by 92%, 92% and 73.7% respectively for the consumption of ammonium and 96.5 %, 95% and 88.6% respectively for the production of nitrate. The results evidence the inhibitory effect of sulfide on nitrification and that sulfide inhibited the whole breathing nitrifying process. After 60h, the E-NH₄⁺ was 11.1%, 29.7% and 100% respectively, while the YNO3- was 0.3, 0.65 and 0.47, showing that sulfide affected mainly the nitrite oxidizing process. Moreover, it was found that the removal of sulfide during the tests was due to chemical oxidation and not biochemical oxidation, since in all cases the rate of sulfide removal was close to the velocity obtained in the abiotic control (38.0 ± 2.1 mg HS- -S/Lh), with sulfate (SO₄²⁻ ) as the main product and a transient formation of thiosulfate (S₂O₃²⁻ ). Test was also performed under the same experimental conditions, but now with an initial sulfate concentration of 83.2 ± 2.6 mg SO₄²⁻ -S/L, observing that sulfate had no significant effect on nitrification, showing that sulfide was the responsible for the nitrification inhibition and not the product of its oxidation. During all tests the pH was monitored, obtaining an average value of 8.6 ± 0.3. It has been previously reported that at such pH value nitrification is performed favorably. Another point discussed was the oxygen availability during the tests. Prior to carrying out the kinetics, it was verified that the amount of oxygen present in the serological bottles was sufficient, calculating with the highest concentrations of ammonium and sulfide used in this study. Therefore, neither the sulfate present during the kinetics at different concentrations of sulfide (from the oxidation of sulfide) or the increase in the pH value, nor the lack of oxygen availability, were the causes of the negative effect observed on the nitrifying respiratory process.

La contaminación del agua es un grave problema que aqueja a México y a todo el mundo. Esta contaminación se da por altas concentraciones de compuestos carbonados, nitrogenados y azufrados, entre otros. Las aguas residuales pueden provenir de industrias o de hogares. Estas aguas son desechadas a mantos acuíferos receptores sin ser tratadas, provocando fenómenos contaminantes como la eutroficación así como graves daños a la salud humana y al medio ambiente. El principal contaminante nitrogenado es el amonio así como el sulfuro en el caso del azufre, este compuesto es altamente tóxico y con altas capacidades corrosivas. Se ha encontrado que el amonio y el sulfuro se pueden encontrar en una gran cantidad de efluentes industriales como: la industria petroquímica, agroalimentaria, papelera, sólo por citar algunas, observándose grandes concentraciones de estos dos contaminantes. Una posible forma de tratamiento de aguas contaminadas por amonio es la nitrificación-desnitrificación. La nitrificación es un proceso respiratorio quimiolitoautotrófico donde el amonio es oxidado a nitrito y posteriormente hasta nitrato. El nitrato puede ser luego reducido a nitrógeno molecular por desnitrificación. Aún no se conoce bien qué efecto tiene el sulfuro sobre el proceso respiratorio nitrificante. Algunos autores mencionan que el sulfuro provoca un efecto inhibitorio sobre la nitrificación, sin embargo en estos estudios no se presentan datos cinéticos ni variables de respuesta que den una afirmación a estas suposiciones, es decir no se conoce bien si el sulfuro provoca una inhibición o es su toxicidad la que afecta el proceso nitrificante. Por lo anterior el objetivo de este estudio fue ampliar la información del efecto del sulfuro sobre la nitrificación, mediante variables de respuesta como: eficiencia de consumo de amonio y rendimientos de formación de nitrito y nitrato, así como variables cinéticas como: velocidad específica de consumo de amonio y velocidad de formación de nitrato, que determinarán cuál es el efecto del sulfuro sobre la nitrificación. Este estudio se realizó en cultivos en lote inoculados con el lodo nitrificante de un reactor continuo de tanque agitado en régimen estacionario. En este reactor se obtuvo una eficiencia de consumo de amonio (E-NH₄⁺ ) de 100% ± 3.4 y un rendimiento de producción de nitrato (YNO3-) de 0.96 ± 0.09. En los cultivos en lote sin sulfuro, el proceso nitrificante se llevó a cabo satisfactoriamente bajo las condiciones experimentales utilizadas, obteniendo que después de 24h, la E-NH₄⁺ fue del 100% ± 2.3 y el YNO3- de 0.88 ± 0.04. Las velocidades específicas de consumo de N-NH₄⁺ y producción de N-NO₃- fueron 0.095 ± 0.01 y 0.088 ± 0.009 mg N/mg proteína h, respectivamente. Al añadir sulfuro a los cultivos nitrificantes a una concentración inicial de 112 ± 2.5, 58 ± 2.5 y 13 ± 0.7 mg S-HS- /L disminuyeron las velocidades específicas en un 92%, 92% y 73.7%, respectivamente, para el consumo de amonio, y 96.5%, 95% y 88.6%, respectivamente, para la producción de nitrato. Los resultados ponen en evidencia el efecto inhibitorio del sulfuro sobre la nitrificación e indican que el sulfuro inhibió todo el proceso respiratorio nitrificante. Después de 60h, la E-NH₄⁺ fue de 11.1%, 29.7% y 100% respectivamente, mientras que el YNO3- fue de 0.3, 0.65 y 0.47, determinándose así que el sulfuro afectó mayoritariamente el proceso nitrito oxidante. Por otra parte, se pudo determinar que la eliminación del sulfuro durante los ensayos se dio por oxidación química y no por oxidación bioquímica, ya que en todos los casos la velocidad de eliminación de sulfuro fue cercana a la velocidad obtenida en la cinética abiótica (38.0 ± 2.1 mg S-HS- /L.h), teniendo como producto principal sulfato (SO₄²⁻ ) y una formación transitoria de tiosulfato (S₂O₃²⁻ ). También se realizó un ensayo bajo las mismas condiciones experimentales, pero ahora con una concentración inicial de sulfato de 83.2 ± 2.6 mg S-SO₄²⁻ /L, observándose que el sulfato no tuvo un efecto significativo sobre la nitrificación, indicando que el sulfuro fue el responsable de la inhibición y no el producto de su oxidación. Durante todos los ensayos realizados se dio seguimiento al pH, obteniendo un valor promedio de 8.6 ± 0.3, lo cual se ha reportado que a valores como éste la nitrificación se lleva a cabo favorablemente. Otro de los puntos que se analizaron fue la disponibilidad de oxígeno ya que previamente a la realización de las cinéticas se aseguró que la cantidad de oxígeno presente en las botellas serológicas fuera suficiente, haciendo los cálculos con las concentraciones de amonio y sulfuro más altas utilizadas. Por lo cual, ni el sulfato presente durante las cinéticas a diferentes concentraciones de sulfuro (a causa de la oxidación del sulfuro), ni el aumento en el valor de pH, así como tampoco la falta de disponibilidad de oxígeno, fueron las causas del efecto negativo sobre el proceso respiratorio nitrificante.

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