Управление видообразованием анаммокса и стратегией прикрепления биопленок с использованием N

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21720 (2022) Цитировать эту статью

645 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Традиционное удаление азота при очистке сточных вод требует большого количества кислорода и энергии. Анаэробное окисление аммония (анаммокс), одностадийное преобразование аммония и нитрита в газообразный азот, является более энергоэффективной и экономически эффективной альтернативой, широко применяемой для очистки побочных сточных вод. Если бы видовое разнообразие и физиология были лучше изучены, это также стало бы основным вариантом лечения. Бактерии Anammox были обогащены до 80%, 90% и 50% относительной численности из одного инокулята в стандартных условиях обогащения либо со ступенчатым увеличением концентрации нитрита и аммиака (R1), добавлением оксида азота (R2), либо с добавлением сложного органического углерода. из основных сточных вод (R3) соответственно. Во всех реакторах преобладал Candidatus Brocadia caroliniensis, но сдвиг в сторону Ca. Brocadia sinica встречалась при концентрациях аммония и нитрита > 270 мг NH4–NL-1 и 340 мг NO2–NL-1 соответственно. В присутствии NO гетеротрофный рост подавлялся, и Ca. Джеттения сосуществовала с Ca. B. caroliniensis, а затем уменьшился по мере увеличения содержания нитритов до 160 мг NO2–NL-1. Добавки органического углерода привели к появлению гетеротрофных сообществ, которые эволюционировали одновременно с Ca. Б. Каролинский. ок. B. caroliniensis и Ca. Jettenia преимущественно образовывала биопленки на поверхностях, тогда как Ca. Brocadia sinica образовывала гранулы в суспензии. Наши результаты показывают, что несколько видов анаммокс-бактерий сосуществуют и занимают субниши в анаммокс-реакторах, и что доминирующая популяция может быть обратимо смещена, например, путем изменения нагрузки азота (т.е. высокая концентрация нитрита благоприятствует Ca. Brocadia caroliniensis). Видообразование имеет значение для проектирования процессов очистки сточных вод, где оптимальная стратегия иммобилизации клеток (т.е. носители или гранулы) зависит от того, какой вид доминирует.

Анаэробное окисление аммония (анаммокс) в сочетании с частичным нитрованием широко применяется для очистки сточных вод с высоким содержанием азота и с низким содержанием углерода (например, очистка боковых потоков) из-за значительной экономии энергии по сравнению с традиционными процессами. Он также был предложен в качестве устойчивого варианта очистки городских сточных вод (т.е. основной очистки). Девятнадцать видов бактерий Candidatus anammox были идентифицированы в различных средах, включая субоксические морские зоны, прибрежные отложения, озера и очистные сооружения. Они были разделены на пять родов Candidatus1,2,3, и хотя анаммокс-бактерии могут колонизировать различные природные и искусственно созданные системы, разные роды редко сосуществуют в одной и той же среде обитания4. Считается, что различия в скорости роста, сродстве к субстратам, чувствительности к ингибирующим соединениям, предпочтительных субстратах роста и дифференциальных метаболических путях способствуют специализации ниш1,5,6,7,8,9,10.

Сообщалось о смене популяций на уровне видов и родов в лабораторных реакторах анаммокса при различных условиях9,10,11. Во время масштабирования первого полномасштабного коммерческого анаммокс-реактора доминирующая популяция сместилась с Ca. Kunenia stuttgartiensis до Ca. Brocadia anammoxydans, хотя причины этого не были указаны12. Исследования показали, что определенные условия окружающей среды в реакторах частичной нитритации/анаммокс (PN/A) могут способствовать появлению только одного вида анаммокс-бактерий11,13. Например, Ка. Jettenia moscovienalis2, Ca. B. caroliniensis14 и Ca. B. sinica13 были обнаружены в отдельных реакторах с боковым потоком, обрабатывающих жидкость анаэробного варочного котла, тогда как Ca. Брокадия. сп. 40 был идентифицирован как доминирующая анаммокс-бактерия в обычных условиях15. Парк и др.11 показали, что состав корма более важен при выборе анаммокс-бактерий, чем конфигурация инокулята и реактора. Тем не менее, нет очевидного консенсуса относительно того, какие факторы отдают предпочтение одному виду анаммокс-бактерий над другим.

5% at any analysed time point) can be found in Supplementary Fig. S1, Supporting Information./p> 200 mg N L-1 (Fig. 1A,B). The microbial communities of R1 and R2 at different levels of N level showed relative strong dissimilarity (R = 0.48 and 0.57, respectively, with p = 0.001 for both). The microbial community at high N load period, on the other hand, was not highly differentiated (R = 0.29, p = 0.003). Despite the increase in relative abundance of multiple OTUs affiliated to anammox bacteria in both R1 and R2, a single OTU annotated to Ca. Brocadia, identified as Ca. B. caroliniensis by clone library analysis (Fig. 2), dominated throughout the first 120 days of reactor operation. Ca. B. caroliniensis increased during enrichment to 50% relative abundance in R1 and R2. However, a further increase in influent ammonium and nitrite concentrations beyond 220 mg N L−1 from day 100 (N loading rate of 500 mg N L−1-day−1 for R1 and 750 mg N L−1-day−1 for R2) resulted in the gradual increase of Ca. Brocadia_2, identified as Ca. B. sinica by clone library analysis (Fig. 2)./p> 0.8, p < 0.001). While the relative abundance of non-anammox bacteria was reduced in the presence of NO, the same correlation was nonetheless observed in R2. However, in R3, the non-anammox bacteria community was replaced by OTUs affiliated to unclassified Comamonadaceae (phylum Proteobacteria) and unclassified Bacteroidetes and a negative correlation was observed between unclassified Bacteroidetes and Ca. B. caroliniensis (Spearman's rho: − 0.7, p < 0.001). Notably, taxa affiliated to the Comamonadaceae family were nearly absent in R1 and R2, while they remained the dominant heterotrophic community in biomass both attached to the reactor wall and in suspension in R3, perhaps suggesting that these taxa have metabolic interactions with Ca. B. caroliniensis and play a role in biofilm formation (Supplementary Fig. S3)./p> 20 days)./p>