Estudio metagenómico de comunidades microbianas de barros activados: interacciones tróficas y estrategias de crecimiento bacterianas

Authors
Pérez, María Victoria
Publication Year
2017
Language
Spanish
Format
doctoral thesis
Status
Published version
Director/a de tesis
Erijman, Leonardo
Description
El sistema de barros activados es uno de los modelos más estudiados en ecología microbiana. En las últimas décadas se han realizado grandes avances en el conocimiento de la composición de las complejas poblaciones microbianas participantes en dicho proceso. Si bien se ha visto que las variables ambientales y operativas son factores críticos en la estructuración de las comunidades bacterianas, aún son escasos los estudios sobre los diferentes niveles tróficos presentes en el sistema. El objetivo de este trabajo es comprender la influencia de factores bióticos y abióticos en la estructura y dinámica de los diferentes niveles tróficos de comunidades microbianas de un sistema de tratamiento de efluentes cloacales. Para ello, se estudiaron los tres niveles tróficos principales de los barros activados: bacterias, eucariotas y bacteriófagos, en una planta de tratamiento de efluentes domiciliarios de Buenos Aires. El período evaluado comprendió tres años en los que la planta operó bajo un gradiente creciente de tiempo de residencia de sólidos (TRS) y atravesó una etapa de fluctuaciones operacionales. Los microorganismos eucariotas se analizaron por microscopía mientras que la composición bacteriana se estudió por secuenciación de amplicones de la región hipervariable V3-V4 del gen ARNr 16S y secuenciación al azar sobre el ADN metagenómico. La presencia y abundancia de bacteriófagos se siguió por secuenciación al azar del ADN presente en el sobrenadante (metaviroma). Luego del co-ensamblado de los 60 metagenomas, de la serie temporal, se utilizó una metodología de binning basada principalmente en cobertura diferencial con la que se reconstruyeron 257 genomas. Los perfiles de co-ocurrencia de especies bacterianas resultaron altamente dependientes del régimen operativo, donde el período de fluctuaciones y de bajo TRS, fue dominado por filos mayormente compuestos por estrategas-r (copiótrofos); contrastando con el período de alto TRS, en el que predominaron los estrategas-K (oligótrofos). La partición de poblaciones bacterianas en base a diferencias en las estrategias de crecimiento fue confirmada por la determinación del número de operones ARN ribosomales (rrn) estimados a partir de los genomas ensamblados. Por su parte, el índice biótico de barros (SBI), basado en la abundancia y diversidad de protozoos, correlacionó positivamente con la abundancia total de bacterias oligotróficas, apoyando el uso del SBI como indicador para el control de calidad del tratamiento y reflejando la modulación por depredadores eucariotas. Finalmente, los cambios en la composición de fagos reflejaron un patrón similar al revelado por las poblaciones bacterianas. La reducción en la abundancia relativa de virus de la familia Podoviridae y el correspondiente aumento en Siphoviridae que acompañan el aumento en TRS es consistente con el hecho de que los Podoviridae infectan principalmente Proteobacteria, mientras que sifovirus pueden ser lisogénicos por varias generaciones, un comportamiento que ha sido asimilado a estrategas K. Las interacciones entre los fagos y las poblaciones bacterianas, detectadas a través de la búsqueda de elementos CRISPR y por similitud de secuencias, permitieron la identificación de mecanismos de interacción tipo Lotka-Volterra depredador-presa, así como de modelos alternativos de interacciones múltiples, en los que un fago infecta a más de un hospedero y/o un hospedero es infectado por más de un tipo de fago. Se concluye que los parámetros de proceso determinan la composición de poblaciones bacterianas en base a sus estrategias de crecimiento, mientras que sobre esta estructuración, determinada por factores abióticos, se superpone una modulación fina mediada por depredadores.
Activated sludge system is one of the most studied models in microbial ecology. In the last decades, large progress has been made in the knowledge of the composition of these complex microbial populations. Although it has been seen that environmental and operative variables are critical factors on the bacterial community structuring, there are still few studies regarding to different trophic levels in this system. The aim of this work is to understand the influence of biotic and abiotic factors on the structure and dynamics of different trophic levels of microbial communities of a sewage treatment system. For this, the three main trophic levels in activated sludge: bacteria, eukaryotes and phages, were studied in a wastewater treatment plant of Buenos Aires. The evaluated period comprise three years in which the plant operates under an increasing gradient of sludge retention time (SRT) and went through a stage of operational fluctuations. Eukaryotic organisms were analyzed by microscopy while bacterial composition was studied by amplicon sequencing of the 16S rRNA gene V3-V4 hypervariable region and metagenomic DNA shotgun sequencing. Phages presence and abundance were followed by shotgun sequencing of DNA present in the supernatant (metavirome). After co-assembling the 60 metagenomes, from the time series, we applied a binning methodology, based mainly on the differential coverage, from which 257 genomes were reconstructed. The co-ocurrence profiles of bacterial species resulted highly dependent on the operational regime, where the disturbed period with low SRT was dominated for phyla mostly composed of r-strategist (copiotrophs); contrasting with the high SRT period, where K-strategist (oligotrophs) predominated. The separation of bacterial populations based on differences in their growth strategies was confirmed by determining the ribosomal RNA (rrn) operon number, estimated from the assembled genomes. Meanwhile, the sludge biotic index (SBI), based on protozoa abundance and diversity, correlated positively with total abundance of oligotroph bacteria, supporting the use of the SBI as an indicator of treatment quality control and displaying a modulation by Eukaryotic predators. Finally, changes in phage composition showed a similar pattern than observed in bacterial populations. Reduction of the relative abundance of Podoviridae family viruses and the corresponding increase on Siphoviridae along with the increase on SRT is consistent with the fact that Podoviridae mainly infect Proteobacteria, while siphoviruses could be lysogenic for several generations, a feature assimilated to K-strategists. Phage-bacteria interactions, detected by searching for CRISPR elements and sequence homologies, allowed to identify prey-predator interactions mechanisms type Lotka-Volterra, as well as multiple interactions alternative models, in which a phage infects more than one host and/or a host is infected by more than one type of phage. We conclude that bacterial population composition based on their growth strategies is determined by process parameters, while this structuring, determined by abiotic factors, is superposed by a fine modulation mediated by predators.
Fil:Pérez, María Victoria. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
Subject
BARROS ACTIVADOS
ECOLOGIA MICROBIANA
METAGENÓMICA
ESTRATEGIAS DE CRECIMIENTO BACTERIANAS
INTERACCIONES TROFICAS
ACTIVATED SLUDGE
BACTERIAL GROWTH STRATEGIES
METAGENOMICS
MICROBIAL ECOLOGY
TROPHIC INTERACTIONS
Access level
Open access
License
http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar
Repository
Biblioteca Digital (UBA-FCEN)
Institution
Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
OAI Identifier
tesis:tesis_n6452_Perez