Efecto de distintos mediadores redox en la eliminación simultánea de sulfuro y p-cresol por vía desnitrificante - Meza Escalante, Edna Rosalba (Universidad Autónoma Metropolitana, 2008)
Existen efluentes de diversos sectores industriales, como el químico y el petroquímico, que contienen una alta concentración de compuestos nitrogenados, azufrados y orgánicos, los cuales, pueden presentar velocidades de consumo bajas, en sistemas de tratamiento, debido a su recalcitrancia. Es de suma importancia encontrar procesos de tratamiento en los que se pueda llevar a cabo la eliminación conjunta de estos compuestos. Se ha observado la capacidad de microorganismos desnitrificantes de acoplar la oxidación de compuestos orgánicos y azufrados con la reducción de NO3 - a N2. No obstante, la oxidación de algunos compuestos puede requerir de un largo tiempo para alcanzar la mineralización, por lo que es necesario buscar estrategias que permitan aumentar las tasas de conversión de dichos compuestos. Una alternativa es utilizar quinonas, ya que se ha reportado evidencia en la literatura, que han aumentado las velocidades de conversión de diferentes contaminantes, incluyendo sulfuro, nitrato y compuestos fenólicos, en procesos de oxidorreducción. Por lo tanto, es necesario estudiar el efecto de algunas quinonas en la fisiología de un proceso desnitrificante, para la eliminación simultánea de nitrato, sulfuro y p-cresol. En este trabajo, se utilizó como fuente de inóculo para las pruebas en lote, biomasa estabilizada en un reactor UASB, en condiciones desnitrificantes con p-cresol y acetato como fuente de energía, a una relación C/N de 1.13. Durante la operación del reactor en continuo, se obtuvieron eficiencias de consumo de los sustratos mayores que 99% (Ep-cresol, EAcetato y ENO3-). Los principales productos formados fueron HCO3 - y N2, obteniéndose rendimientos de YHCO3-= 0.66 ± 0.04 y YN2= 0.88±0.04. Se evaluó el efecto del sulfuro sobre un proceso desnitrificante organotrófico, con p-cresol (44 mg C-p-cresol/L) como fuente de energía. Se realizaron cultivos en lote con concentraciones promedio de 25, 50 y 100 ppm de S2-. La concentración de nitrato fue ajustada paralelamente a la del sulfuro para obtener relaciones estequiométricas entre la fuente oxidante y las reductoras. Las eficiencias de consumo de los tres sustratos (Ep-cresol, ES2- y ENO3-) fueron del 100%, excepto a 100 ppm de S2-, en donde ENO3- fue 96.12 ± 0.0001%. También, se observó que, conforme aumentó la concentración de sulfuro, la qp-cresol disminuyó, hasta ser 38% menor que el control sin sulfuro, a la concentración de 100 ppm de S2-. Las qNO3- fueron mayores que qNO2- en todos los casos, evidenciando que el paso más afectado del proceso fue la reducción de nitrito. Lo anterior, podría estar relacionado con la precipitación de metales (Cu y Fe), propiciada por el sulfuro, los cuales son esenciales para la enzima nitrito reductasa. También, se sugiere el efecto de los intermediarios azufrados (S0 ), pues se ha reportado como un sustrato de lenta oxidación, lo que pudo haber limitado la transferencia de masa en el proceso, por la adhesión del S0 en la biomasa. Los YN2 fueron menores que 1 en todos los ensayos. Los YSO4= fueron mayores que 0.9 hasta una concentración de 50 ppm de S2- pero la oxidación completa hasta SO4 2- fue casi nula a 100 ppm de S2-. En los cultivos en lote expuestos a 50 µM de diferentes quinonas, se observaron efectos heterogéneos sobre el proceso desnitrificante organolitotrófico con p-cresol y sulfuro. La lawsona disminuyó la mayoría de las velocidades específicas de proceso, pero favoreció los rendimientos de formación de productos. De manera contraria, la AQDS y NQS aumentaron de manera significativa la mayoría de las velocidades específicas, tanto de consumo de sustrato, como de formación de productos. En cambio, disminuyeron los YN2. Sólo la NQS afectó de manera favorable la YSO4=. En todos los casos, las eficiencias de consumo (Ep-cresol, ES2- y ENO3-) fueron del 100%. La oxidación de sulfuro y p-cresol se llevó a cabo de manera simultánea. Con base en los resultados anteriores, se seleccionó la NQS para evaluar su efecto en cultivos desnitrificantes expuestos a diferentes concentraciones de sulfuro. La concentración de quinona se aumentó a 500 µM. Se lograron eficiencias de consumo prácticamente del 100%, a excepción de ENO3- a 50 y 100 ppm de S2-, las cuales fueron de 84.38 ± 0.015 y 74.95 ± 0.004%, respectivamente. Los YSO4= disminuyeron conforme aumentó la concentración de sulfuro; además, fueron menores a los obtenidos en ausencia de la NQS, obteniéndose nuevamente un YSO4= mínimo a los 100 ppm de S2-. Nuevamente, el proceso más afectado fue la reducción de nitrito, sugiriendo el efecto de los compuestos azufrados sobre esta etapa. Cabe señalar que esta concentración de quinona, favoreció la oxidación completa del p-cresol a HCO3 - , lo que dio como resultado YHCO3- cercanos a 1. Lo anterior, sugiere el efecto favorable de la NQS, a esta concentración aplicada, sobre la ruta de oxidación de p-cresol. Se obtuvieron qSO4= menores que qS2-. Esto coincide con otros autores quienes señalan que la oxidación de los intermediarios azufrados es más lenta que la oxidación del S2-, sugiriendo que el efecto del S0 sobre el proceso estudiado fue mayor que el efecto del S2- en si.; Many industrial effluents, like those generated from the chemistry and petrochemical industries, contain a large diversity of nitrogenous, sulfurous and organic contaminants. Due to their recalcitrance, some of these pollutants present very low consumption rates in wastewater treatment systems. Therefore, an efficient and cost-effective treatment process is currently demanded to achieve the simultaneous removal of these compounds. The application of denitrifying microorganisms to oxidize organic and sulfurous compounds coupled to the reduction of nitrate to N2, has been observed. However, the oxidation of several aromatic compounds, through denitrification, requires long incubation times to achieve mineralization; thus, it is necessary to find strategies to increase the oxidation rates of these pollutants. An alternative is utilizing quinones, which have shown positive effects on the oxidation rates of several different contaminants. Consequently, the present study is proposed to evaluate the catalytic effects of different quinones on a denitrifying process in which simultaneous removal of nitrate, sulfide and p-cresol is carried out. In this study the denitrifying sludge, which was utilized during batch experiments, was previously stabilized in a UASB reactor with p-cresol and acetate as electron donors at C/N ratio of 1.13. During steady state operation of the denitrifying reactor, the consumption efficiencies were higher than 99% (Ep-cresol, EAcetate y ENO3-). The main products obtained were HCO3 - y N2 with production yields of YHCO3-= 0.66 ± 0.04 and YN2= 0.88±0.04. The effect of sulfide on an organotrophic denitrifying process, with p-cresol (44 mg C-pcresol/L) as source of energy, was evaluated. Batch assays with concentrations of 25, 50 and 100 ppm S2- were conducted. Nitrate concentration was simultaneously adjusted with the sulfide concentration to obtain the stoichiometric concentration was simultaneously adjusted with the sulfide concentration to obtain the stoichiometric concentrations of electron donor and electron accepting substrates. It was achieved complete consumption of sulfide and p-cresol coupled to nitrate reduction, mainly to N2. Efficiencies of consumption for the three substrates (Ep-cresol, ES2- y ENO3-) were 100%, except for the experiments with 100 ppm de S2-, in which the ENO3- was 96.12 ± 0.0001%. It was observed a decrease of up to 38% on the qp-cresol by increasing the concentration of sulfide, compared to the control without sulfide. The nitrate reduction rate (qNO3-) was higher than nitrite reduction rate (qNO2-) in all cases. Nitrite reduction was the most affected step. It is possible that precipitation of trace metals, such as Fe and Cu, which are essential components of denitrifying metalloenzymes, resulted from the addition of sulfide. In addition, it is suggested that elemental sulfur (S0 ), which has been reported as slow-oxidizing substrate in denitrifying cultures, accumulated in the sludge incubations affecting the transfer of mass. Indeed, qualitative observations suggested the adsorption of S0 onto the denitrifying biomass, which ultimately was reflected on the accumulation of nitrite in the cultures. The production yields of nitrogen molecular (YN2) values were smaller than 1 in all experiments. The sulfate production yields (YSO4=) were higher than 0.9 at concentrations ≤ 50 ppm S2-, but the oxidation of S2- to SO4 2- was negligible at 100 ppm S2-. In batch assays conducted with 50µM of different quinones, heterogeneous effects were obtained on an organo-lithotrophic denitrifying process with p-cresol and sulfide. Lawsone caused a diminishment of most consumption and production rates, but promoted favorable effects on the yields obtained. In contrast, AQDS and NQS significantly increased the respiratory rates observed, but the YN2 diminish. Only NQS affected positively the YSO4=. Efficiencies of consumption (Ep-cresol, ES2- y ENO3-) were 100% in all cases. The oxidation of sulfide and p-cresol occurred simultaneously in the denitrifying cultures. Considering these results, NQS was selected, as a redox mediator, to evaluate its catalytic effects with different concentrations of sulfide. The concentration of quinone was increased to 500 µM. Efficiencies of consumption were practically 100% in most cases, excluding the ENO3- obtained at 50 and 100 ppm S2-, which were 84.38 ± 0.015 and 74.95 ± 0.004%, respectively. The YSO4= diminished by increasing the sulfide concentration. Furthermore, the YSO4= achieved were smaller than yields obtained without NQS and a minimum value of YSO4= was observed at 100 ppm S2-. For a second time, nitrite reduction was the most affected step in the denitrifying process, suggesting the inhibitory effect of sulfurous compounds over this step. It is important to mention that this concentration of NQS had a favorable effect on the complete oxidation of p-cresol to HCO3 - , resulting in a YHCO3- value close to 1. The smaller values of qSO4= obtained, compared to qS2- values, agree with preliminary studies reporting slower oxidation rate of sulfurous intermediates to sulfate than the sulfide oxidation rate, suggesting a greater effect of S0 than that attributed to sulfide.