For acceleration of removing toxic metals from acid mine drainage (AMD), the effects of hydraulic retention time (HRT) and pH on the reactor performance and microbial community structure in the depth direction of a laboratory-scale packed-bed bioreactor containing rice bran as waste organic material were investigated. The HRT was shortened stepwise from 25 to 12 h, 8 h, and 6 to 5 h under the neutral condition using AMD neutralized with limestone (pH 6.3), and from 25 to 20 h, 12 h, and 8 to 7 h under the acid condition using AMD (pH 3.0). Under the neutral condition, the bioreactor stably operated up to 6 h HRT, which was shorter than under the acid condition (up to 20 h HRT). During stable sulfate reduction, both the organic matter-remaining condition and the low oxidation–reduction potential condition in lower parts of the reactor were observed. Principal coordinate analysis of Illumina sequencing data of 16S rRNA genes revealed a dynamic transition of the microbial communities at the boundary between stable and unstable operation in response to reductions in HRT. During stable operation under both the neutral and acid conditions, several fermentative operational taxonomic units (OTUs) from the phyla Firmicutes and Bacteroidetes dominated in lower parts of the bioreactor, suggesting that co-existence of these OTUs might lead to metabolic activation of sulfate-reducing bacteria. In contrast, during unstable operation at shorter HRTs, an OTU from the candidate phylum OP11 were found under both conditions. This study demonstrated that these microorganisms can be used to monitor the treatment of AMD, which suggests stable or deteriorated performance of the system.

The development of compact and cost-effective passive treatment systems is of critical importance for acid mine drainage (AMD) remediation in Japan. The purpose of this study was to construct an AMD treatment system comprising a sulfate-reducing bioreactor using rice bran as a carbon source for sulfate-reducing bacteria (SRB) and to demonstrate its stable operation for at least a year in terms of continuous sulfate reduction and metal removal. Our 35 L bioreactor comprised a packed inoculum layer of a mixture of rice husks, limestone, and field soil, which was covered with rice bran. During operation, the AMD input flow rate was adjusted to 11.7 mL/min (hydraulic retention time, HRT; 50 h). Throughout the year, physicochemical analyses of system input and output AMD samples revealed that both pH and oxidation–reduction potential values were consistent with the process of sulfate reduction by SRB, although this reduction was observed to be stronger in summer than in winter. Efficient metal removal was observed, with concentrations at the outlet port of <0.33 mg/L Zn, <0.08 mg/L Cu, and <0.005 mg/L Cd, more than meeting Japan’s national effluent standards. Illumina sequencing of 16S rRNA genes revealed that Desulfatirhabdium butyrativorans-related species, which belong to a lineage within Deltaproteobacteria, were dominant (39–48% of the total SRB population) within the bioreactor. Die Entwicklung kompakter und kostengünstiger passiver Systeme für die Behandlung von saurem Grubenwasser (sog. Acid Mine Drainage, AMD) ist in Japan von zentraler Bedeutung. Ziel der vorliegenden Studie war die Konstruktion eines AMD-Aufbereitungssystems mit einem sulfatreduzierenden Bioreaktor unter Verwendung von Reiskleie als Kohlenstoffquelle für sulfatreduzierende Bakterien (SRB) und der Nachweis des stabilen Betriebes im Hinblick auf kontinuierliche mikrobielle Sulfatreduktion und Entfernung von Metallen über mindestens ein Jahr. Der 35 L Bioreaktor umfasste eine komprimierte Inokulum-Schicht bestehend aus einer Mischung aus Reishülsen (Spelzen), Kalkstein und Ackerboden überdeckt mit Reiskleie. Im Betrieb wurde der AMD-Zustrom auf 11,7 mL/min eingestellt, was einer Verweilzeit (Hydraulic Retention Time, HRT) von 50 h entspricht. Die physikochemische Analytik von Proben in Systemzufluss und -abfluss über ein Jahr zeigte, dass sowohl pH-Wert als auch Redoxpotential mit dem Prozess der bakteriellen Sulfatreduktion übereinstimmten, wobei eine Verstärkung des Prozesses im Sommer gegenüber dem Winter beobachtet werden konnte. Die Metallfracht wurde erfolgreich reduziert, sodass die im Systemabfluss gemessenen Konzentrationen von <0,33 mg/L für Zink, <0,08 mg/L für Kupfer und <0,005 mg/L für Cadmium die geltenden Einleitkriterien Japans noch deutlich unterschreiten. Mittels Illumina 16S-rRNA-Gen-Sequenzierung konnte gezeigt werden, dass Desulfatirhabdium butyrativorans-verwandte Arten, welche einer Linie innerhalb der Deltaproteobacteria angehören, mit 39-48% der gesamten SRB-Population im Bioreaktor dominant waren El desarrollo de sistemas pasivos de tratamientos compactos y efectivos en costos es de importancia crítica para la remediación de drenaje ácido de minas (AMD) en Japón. El propósito de este estudio fue construir un sistema de tratamiento de AMD que incluía un biorreactor con sulfato-reductoras utilizando salvado de arroz como fuente de carbono para bacteria sulfato-reductoras (SRB) para demostrar su funcionamiento estable por al menos un año en términos de reducción continua de sulfato y remoción de metales. Nuestro biorreactor de 35 L comprendía una capa de inóculo dentro de una mezcla de cáscaras de arroz, caliza y suelo, cubierta con salvado de arroz. Durante la operación, el flujo de AMD se ajustó en 11,7 mL/min (tiempo de retención hidráulico, HRT; 50 h). A lo largo del año, los análisis fisicoquímicos de las muestras de ADM antes y después del sistema de tratamiento, mostraron que los valores de pH y potencial redox fueron consistentes con el proceso de reducción de sulfato por acción de las SRB, aunque esta reducción fue mayor en verano que en invierno. A la salida del sistema, se observó una eficiente remoción de metales con concentraciones menores que 0,33 mg/L Zn, 0,08 mg/L Cu y 0,005 mg/L Cd, que se ajusta a los estándares para efluentes en Japón. La secuenciación del gen 16S rRNA utilizando Illumina reveló que especies relacionadas con Desulfatirhabdium butyrativorans, que pertenece a un linaje dentro de las Deltaproteobacteria, fueron dominantes (39-48% del total de la población de SRB) dentro del biorreactor. 小型高效酸性矿山废水处理系统研发在日本非常重要。文章旨在建立麦皮为硫酸盐还原菌有机炭源的酸性矿山废水被动处理硫酸盐还原反应器,展示该系统一年多稳定的硫酸盐还原和金属离子去除效果。35升生物反应器内接种层由米糠、石灰石和土壤组成,用麦皮覆盖接种层。在系统运行期间,酸性矿山废水(AMD)输入流量11.7mL/min(水力滞留时间50小时)。流入和流出处理系统的酸性矿山废水年物理化学分析说明:即使夏天还原过程较冬天强烈,pH值和氧化-还原电位值仍与硫酸盐还原菌的还原过程总体一致。系统表现出良好的金属去除效果,流出液浓度(锌< 0.33 mg/L、铜< 0.08 mg/L和镉< 0.005 mg/L)远远超过日本排放废水要求。16S rRNA基因的Illumina序列说明,Deltaproteobacteria系Desulfatirhabdium butyrativorans种占总生物反应器硫酸盐还原菌落39-48%