Influence of arsanilic acid, Cu²⁺, PO₄³⁻ and their interaction on anaerobic digestion of pig manure

Abstract

The methanogenesis was severely inhibited with 0.46 mM ASA addition.

PO₄³⁻ didn’t attenuate the methanogenesis inhibition in the existence of ASA.

ASA was transformed to As(III), As(V), MMA and DMA in anaerobic digestion.

Cu²⁺ mitigated the methanogenesis inhibition via impeding the degradation of ASA.

Arsanilic acid (ASA), copper ion (Cu²⁺) and phosphate (PO₄³⁻) are widely used as feed additives for pigs. Most of these three supplemented feed additives were excreted in feces and urine. Anaerobic digestion is often used for the management of pig manure. However, the interaction of ASA with Cu²⁺ or PO₄³⁻ on anaerobic digestion is still not clear. In this study, the influence of ASA, Cu²⁺, PO₄³⁻ and their interaction on anaerobic digestion of pig manure and the possible mechanisms were investigated. The initial concentrations of ASA, Cu²⁺ and PO₄³⁻ were 0.46 mM, 2 mM and 2 mM in the anaerobic digester, respectively. The methanogenesis was severely inhibited in the assays with only ASA addition, only Cu²⁺ addition and ASA+ PO₄³⁻ addition with the inhibition index of 97.8%, 46.6% and 82.6%, respectively, but the methanogenesis inhibition in the assay with ASA+ Cu²⁺ addition was mitigated with the inhibition index of 39.4%. PO₄³⁻ had no obvious impacts on the degradation of ASA. However, Cu²⁺ addition inhibited the degradation of ASA, mitigating the methanogenesis inhibition. The existence of ASA would inhibit methanogenesis and generate more toxic inorganic arsenic compounds during anaerobic digestion, implying the limitation of anaerobic digestion for ASA- contaminated animal manure. However, the co-existence of ASA and Cu²⁺ could mitigate the inhibition. These results could provide useful information for the management of anaerobic digestion of pig manure containing ASA with Cu²⁺.

Graphical abstract

Keywords

Arsanilic acid (ASA) / Methanogenesis / Inhibition / Copper / Phosphate / Inorganic arsenics

References

[1] Mata-Alvarez J, Dosta J, Romero-Güiza  M S, Fonoll X, Peces M, Astals S. A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 36: 412–427

[2] Wu G, Healy M G, Zhan X. Effect of the solid content on anaerobic digestion of meat and bone meal. Bioresource Technology, 2009, 100(19): 4326–4331

[3] Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China. Scheme for promoting the utilization of agricultural wastes. 2016. Available online at 160;(accessed August 11, 2016) (in Chinese)

[4] Abbasi T, Tauseef S M, Abbasi S A. Anaerobic digestion for global warming control and energy generation-An overview. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(5): 3228–3242

[5] Xie S H, Lawlor P G, Frost P, Dennehy C D, Hu Z H, Zhan X M. A pilot scale study on synergistic effects of co-digestion of pig manure and grass silage. International Biodeterioration & Biodegradation, 2017, 123: 244–250

[6] Sutton A L, Brumm M C, Kelly D T, Henderson C A, Mayrose V B. Effect of dietary salt, arsenic and copper additions and waste management systems on selected microbial organisms in swine wastes. Journal of Animal Science, 1980, 51(4): 791–797

[7] Liu X, Zhang W, Hu Y, Cheng H. Extraction and detection of organoarsenic feed additives and common arsenic species in environmental matrices by HPLC–ICP-MS. Microchemical Journal, 2013, 108(3): 38–45

[8] Sierra-Alvarez R, Cortinas I, Field J A. Methanogenic inhibition by roxarsone (4-hydroxy-3-nitrophenylarsonic acid) and related aromatic arsenic compounds. Journal of Hazardous Materials, 2010, 175(1–3): 352–358

[9] Wang H L, Hu Z H, Tong Z L, Xu Q, Wang W, Yuan S J. Effect of arsanilic acid on anaerobic methanogenic process: Kinetics, inhibition and biotransformation analysis. Biochemical Engineering Journal, 2014, 91(91): 179–185

[10] Sierra-Alvarez R, Cortinas I, Yenal U, Field J A. Methanogenic inhibition by arsenic compounds. Applied and Environmental Microbiology, 2004, 70(9): 5688–5691

[11] Shi L, Wang W, Yuan S J, Hu Z H. Electrochemical stimulation of microbial roxarsone degradation under anaerobic conditions. Environmental Science & Technology, 2014, 48(14): 7951–7958

[12] Shui M C, Ji F, Tang R, Yuan S J, Zhan X M, Wang W, Hu Z H. Impact of roxarsone on the UASB reactor performance and its degradation. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(6): 4

[13] Stolz J F, Perera E, Kilonzo B, Kail B, Crable B, Fisher E, Ranganathan M, Wormer L, Basu P.Biotransformation of 3-nitro-4-hydroxybenzene arsonic acid (roxarsone) and release of inorganic arsenic by Clostridium species. Environmental Science & Technology, 2007, 41(3): 818–823

[14] Bikker P, Jongbloed A W, van Baal J. Dose-dependent effects of copper supplementation of nursery diets on growth performance and fecal consistency in weaned pigs. Journal of Animal Science, 2016, 94(S3): 181–186

[15] Bolan N S, Khan M A, Donaldson J, Adriano D C, Matthew C. Distribution and bioavailability of copper in farm effluent. The Science of the Total Environment, 2003, 309(1–3): 225–236

[16] Li Y X, Li W, Wu J, Xu L C, Su Q H, Xiong X. Contribution of additives Cu to its accumulation in pig feces: study in Beijing and Fuxin of China. Journal of Environmental Sciences-China, 2007, 19(5): 610–615

[17] Guo J, Ostermann A, Siemens J, Dong R, Clemens J. Short term effects of copper, sulfadiazine and difloxacin on the anaerobic digestion of pig manure at low organic loading rates. Waste Management (New York, N.Y.), 2012, 32(1): 131–136

[18] Boonsawang P, Rerngnarong A, Tongurai C, Chaiprapat S. Effect of nitrogen and phosphorus on the performance of acidogenic and methanogenic reactors for treatment of biodiesel wastewater. Songklanakarin Journal of Science and Technology, 2014, 36(6): 643–649

[19] Zayed G, Winter J. Inhibition of methane production from whey by heavy metals--protective effect of sulfide. Applied Microbiology and Biotechnology, 2000, 53(6): 726–731

[20] Tang R, Chen H, Yuan S J, Zhan X M, Wang W, Hu Z H. Arsenic accumulation and volatilization in a 260-day cultured upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Chemical Engineering Journal, 2017, 311: 277–283

[21] Mahar R B, Sahito A R, Yue D, Khan K. Modeling and simulation of landfill gas production from pretreated MSW landfill simulator. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(1): 159–167

[22] Mu Y, Yu H Q, Wang G. A kinetic approach to anaerobic hydrogen-producing process. Water Research, 2007, 41(5): 1152–1160

[23] Zwietering M H, Jongenburger I, Rombouts F M, van ’t Riet K. Modeling of the bacterial growth curve. Applied and Environmental Microbiology, 1990, 56(6): 1875–1881

[24] Hu Z H, Yu H Q. Anaerobic digestion of cattail by rumen cultures. Waste Management (New York, N.Y.), 2006, 26(11): 1222–1228

[25] Zhang F F, Wang W, Yuan S J, Hu Z H. Biodegradation and speciation of roxarsone in an anaerobic granular sludge system and its impacts. Journal of Hazardous Materials, 2014, 279(5): 562–568

[26] Rosen B P, Ajees A A, McDermott T R. Life and death with arsenic. Bioessays, 2011, 33(5): 350–357

[27] Li W W, Yu H Q. From wastewater to bioenergy and biochemicals via two-stage bioconversion processes: a future paradigm. Biotechnology Advances, 2011, 29(6): 972–982

[28] Mu Y, Wang G, Yu H Q. Response surface methodological analysis on biohydrogen production by enriched anaerobic cultures. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 38(7): 905–913

[29] Mu Y, Yu H Q, Wang G. Evaluation of three methods for enriching H₂-producing cultures from anaerobic sludge. Enzyme and Microbial Technology, 2007, 40(4): 947–953

[30] Gonzalez-Estrella J, Puyol D, Sierra-Alvarez R, Field J A. Role of biogenic sulfide in attenuating zinc oxide and copper nanoparticle toxicity to acetoclastic methanogenesis. Journal of Hazardous Materials, 2015, 283: 755–763

[31] Zhang M, He Z P, Yuan H, Zhu L, Guo C Z, Yin L, Wu J, Deng S J, Yuan L Y, Wen L X. DNA damage and decrease of cellular oxidase activity in piglet Sertoli cells exposed to arsanilic acid. The Journal of Veterinary Medical Science, 2011, 73(2): 199–203

[32] Kim K W, Bang S, Zhu Y, Meharg A A, Bhattacharya P. Arsenic geochemistry, transport mechanism in the soil-plant system, human and animal health issues. Environment International, 2009, 35(3): 453–454

[33] Liu R, Xu W, Wu K, Gong W, Liu H, Qu J. Species distribution of arsenic in sediments after an unexpected emergent discharge of high-arsenic wastewater into a river. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 7(4): 568–578

[34] Sharma V K, Sohn M. Aquatic arsenic: Toxicity, speciation, transformations, and remediation. Environment International, 2009, 35(4): 743–759

[35] Ronkart S N, Laurent V, Carbonnelle P, Mabon N, Copin A, Barthélemy J P. Speciation of five arsenic species (arsenite, arsenate, MMAAV, DMAAV and AsBet) in different kind of water by HPLC-ICP-MS. Chemosphere, 2007, 66(4): 738–745

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany