Controlando a especiação anammox e estratégia de fixação de biofilme usando N

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21720 (2022) Citar este artigo

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A remoção convencional de nitrogênio no tratamento de águas residuais requer uma alta entrada de oxigênio e energia. A oxidação anaeróbia de amônio (anammox), a conversão em uma única etapa de amônio e nitrito em nitrogênio gasoso, é uma alternativa mais econômica e energética aplicada extensivamente ao tratamento de águas residuais secundárias. Também seria uma opção de tratamento convencional se a diversidade e a fisiologia das espécies fossem melhor compreendidas. Bactérias Anammox foram enriquecidas em até 80%, 90% e 50% de abundância relativa, a partir de um único inóculo, sob condições de enriquecimento padrão com aumento gradual da concentração de nitrito e amônia (R1), suplementação de óxido nítrico (R2) ou carbono orgânico complexo de águas residuais principais (R3), respectivamente. Candidatus Brocadia caroliniensis predominou em todos os reatores, mas uma mudança para Ca. Brocadia sinica ocorreu em concentrações de amônio e nitrito > 270 mg NH4–NL−1 e 340 mg NO2–NL−1, respectivamente. Com NO presente, o crescimento heterotrófico foi inibido e o Ca. Jettenia coexistiu com Ca. B. caroliniensis antes de diminuir à medida que o nitrito aumentou para 160 mg NO2–NL−1. A suplementação de carbono orgânico levou ao surgimento de comunidades heterotróficas que coevoluíram com o Ca. B. caroliniensis. Ca. B. caroliniensis e Ca. Jettenia formou preferencialmente biofilmes em superfícies, enquanto Ca. Brocadia sinica formou grânulos em suspensão. Nossos resultados indicam que várias espécies de bactérias anammox coexistem e ocupam sub-nichos em reatores anammox, e que a população dominante pode ser reversivelmente deslocada, por exemplo, alterando a carga de nitrogênio (ou seja, alta concentração de nitrito favorece Ca. Brocadia caroliniensis). A especiação tem implicações para o projeto do processo de águas residuais, onde a estratégia ideal de imobilização celular (ou seja, portadores versus grânulos) depende de qual espécie domina.

A oxidação anaeróbia de amônio (anammox), combinada com nitritação parcial, é amplamente aplicada para tratar águas residuais ricas em nitrogênio e deficientes em carbono (por exemplo, tratamento secundário) devido à economia significativa de energia em relação aos processos convencionais. Também foi proposto como uma opção de tratamento sustentável para o tratamento de águas residuais municipais (ou seja, tratamento convencional). Dezenove espécies de bactérias Candidatus anammox foram identificadas em vários ambientes, incluindo zonas marinhas subóxicas, sedimentos costeiros, lagos e estações de tratamento de águas residuais. Estes foram classificados em cinco gêneros de candidatus1,2,3 e, embora as bactérias anammox possam colonizar diversos sistemas naturais e artificiais, gêneros diferentes raramente coexistem no mesmo habitat4. Acredita-se que as diferenças nas taxas de crescimento, afinidades de substrato, sensibilidade a compostos inibidores, substratos de crescimento preferidos e vias metabólicas diferenciais contribuam para a especialização de nicho1,5,6,7,8,9,10.

Mudanças populacionais em nível de espécie e gênero foram relatadas em reatores anammox em escala de laboratório sob várias condições9,10,11. Durante o aumento de escala do primeiro reator anammox comercial em grande escala, a população dominante mudou de Ca. Kunenia stuttgartiensis a Ca. Brocadia anammoxidans, embora as razões para isso não tenham sido fornecidas12. Estudos relataram que condições ambientais específicas em reatores de nitritação parcial/anammox (PN/A) podem selecionar apenas espécies únicas de bactérias anammox11,13. Por exemplo, Ca. Jettenia moscovienalis2, Ca. B. caroliniensis14 e Ca. B. sinica13 foram detectados em reatores secundários distintos tratando licor de digestor anaeróbio, enquanto Ca. Brocádia. sp. 40 foi identificada como a bactéria anammox dominante nas condições dominantes15. Park et al.11 mostraram que a composição da alimentação é mais importante na seleção de bactérias anammox do que o inóculo e a configuração do reator. No entanto, não há consenso aparente sobre quais fatores selecionam uma espécie de bactéria anammox em detrimento de outra.

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>