Metagenómica de lodos activados. Factores determinantes del ensamblado de comunidades bacterianas en el tratamiento de efluentes

• Autores: Ibarbalz, Federico Matías
• Año de publicación: 2016
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Erijman, Leonardo; Figuerola, Eva Lucía Margarita
• Materia: LODOS ACTIVADOS; TRATAMIENTO DE EFLUENTES; ENSAMBLADO DE COMUNIDADES MICROBIANAS; ARN RIBOSOMAL 16S; METAGENOMICA; ACTIVATED SLUDGE; WASTEWATER TREATMENT; MICROBIAL COMMUNITY ASSEMBLY; 16S RIBOSOMAL RNA; METAGENOMICS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El tratamiento biológico de efluentes domésticos o industriales por lodos activados sebasa en la actividad de poblaciones microbianas capaces de autoensamblarse paraconstituir una comunidad dinámica de alta diversidad. Revelar los factores quedeterminan la estructura de las comunidades microbianas y los mecanismos queconducen a su ensamblado es crítico para mejorar la gestión del proceso de tratamientoy para proveer un marco conceptual que pueda ser aplicado a comunidades microbianasen otros procesos de biotecnología ambiental. Varios estudios previos realizados enplantas de tratamiento de lodos activados municipales, de diferente configuración yprovenientes de sitios geográficamente distantes, sugerían la presencia de taxonesbacterianos de alto rango (filos) comunes a todos los sistemas estudiados. En base aestos antecedentes, se planteó la hipótesis de que los determinantes ecológicos delproceso de tratamiento relacionados con la formación del agregado biológico (floc), quepermite la retención de la biomasa en el sistema, serían los principales responsables dedefinir la composición de la comunidad bacteriana en lodos activados. Los objetivos de esta tesis fueron: 1) comprobar si existe un grupo común (core) detaxones bacterianos y funciones en plantas de tratamiento de efluentes municipales eindustriales, y 2) determinar cuáles son las variables ambientales y operacionalesrelevantes en la estructuración de las comunidades bacterianas de los lodos activados. Se realizaron estudios de metagenómica comparativa, utilizando técnicas depirosecuenciación de amplicones de las regiones variables V1-V3 del gen de ARNribosomal 16S (ARNr 16S), y secuenciación al azar de ADN metagenómico. Seanalizaron lodos activados de 9 plantas de tratamiento de efluentes ubicadas en Argentina, dos municipales y siete industriales, cada una muestreada en dosoportunidades, separadas por períodos de hasta 4 años, conjuntamente con los datosmetagenómicos de 12 plantas de tratamiento industriales y municipales localizadas en China, India, Singapur y Corea del Sur, generados en otros laboratorios. Se determinó que la diversidad taxonómica y funcional es significativamente mayor enlodos activados municipales que en industriales. Cada sistema de lodos activados quetrata un efluente industrial particular presentó una composición bacteriana característica,reproducible en el tiempo, y marcadamente distinguible del patrón de filos y clasesbacterianas observado en plantas municipales. A pesar de los cambios a nivel de génerodentro de cada planta, se observó una conservación de los perfiles de contenido de GCen los metagenomas. Se detectó una preferencia particular de ciertos grupos bacterianosconsistente con diferencias subyacentes en las abundancias de categorías funcionalesparticulares, que a su vez se relacionaron con la metabolización de constituyentesespecíficos de los efluentes. Se concluye que las características del efluente son elprincipal determinante de la estructuración de las comunidades bacterianas en sistemasde lodos activados. Asimismo, se sugiere que el aumento en la variedad de sustratos queingresan a los procesos de tratamiento, por ejemplo combinando efluentes de diferentesorígenes en parques industriales, permitiría la conformación de comunidadesmicrobianas más robustas en términos de resistencia y resiliencia frente aperturbaciones. Los modelos mecanicísticos como el ASM1 o el ASM3, que son herramientas valiosaspara la representación de procesos biológicos que ocurren en biorreactores, soncalibrados utilizando parámetros derivados de plantas de tratamiento municipales. Losresultados obtenidos en esta Tesis resaltan la importancia de considerar las diferenciastaxonómicas y funcionales entre lodos activados industriales y municipales, ya que lasmismas podrían reflejar cambios en la cinética de consumo de sustratos y en laformación de productos de almacenamiento.
Biological treatment of domestic and industrial wastewater by activated sludge relies ona self-assembled, highly diverse and dynamic microbial community. Revealing thefactors that determine the community structure and the mechanisms that drive microbialcommunity assembly in activated sludge is critical to improve the reliability ofwastewater treatment management and to help developing a conceptual framework thatcould be applied to microbial communities in other processes of environmentalbiotechnology. Several previous studies, conducted on municipal wastewater treatmentplants of varying configuration and geographical location, indicated the presence of acommon core of high-rank bacterial taxa (phyla). Based on these results, it washypothesized that the ecological drivers related to the floc formation, a biologicalaggregate that allows biomass retention, would be the main factors defining the bacterialcommunity composition in activated sludge. The objectives of this work were: 1) to test the existence of a common core of bacterialtaxa and functions across municipal and industrial wastewater treatment plants, and 2)to determine which environmental and operational variables are relevant in structuringthe bacterial communities of activated sludge. Comparative metagenomic studies wereperformed utilizing amplicon-sequencing of V1-V3 variable regions of the 16S rRNAgene, and shotgun-sequencing of metagenomic DNA. Two municipal and sevenindustrial wastewater treatment plants located in Argentina were surveyed, eachsampled twice, at times separated by periods of up to 4 years, and analyzed inconjunction with the metagenomic data sets of 12 other municipal and industrialwastewater treatment plants located in China, India, Singapore and South Korea,generated in other laboratories. The taxonomic and functional diversity in municipal activated sludge was found to besignificantly higher than that of industrial activated sludge. Each industrial activatedsludge exhibited a unique bacterial composition, occurring in a reproducible manner,clearly distinguishable from the high-rank bacterial taxa pattern present in municipalplants. Interestingly, in spite of a changing genera profile within each community, therewas a distinct GC content profile in their metagenomes. A particular preference ofcertain bacterial groups was detected, and it was consistent with underlying differencesin the abundance of specific functional categories, which were at the same time relatedwith metabolic pathways involving specific wastewater components. The conclusion isthat wastewater features are the main drivers for bacterial community structure inactivated sludge. Moreover, an increase in the variety of influent substrates, e.g. by thecombination of different influents within an industrial park, would allow the existenceof more robust microbial communities, in terms of resistance and resilience againstdisturbances. Mechanistic models like ASM1 or ASM3, which are valuable tools for therepresentation of biological processes taking place in bioreactors, are calibrated usingparameters from municipal treatment plants. The results obtained in this Thesishighlight the importance of considering the taxonomic and functional differencesbetween municipal and industrial activated sludge, as these may reflect changes in thekinetics of substrate consumption and storage products formation.
Fil: Ibarbalz, Federico Matías. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.