Diversidade e interações de genes funcionais microbianos em diferentes condições ambientais: insights de um biorreator de membrana e uma vala de oxidação

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 18509 (2016) Citar este artigo

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O efeito das condições ambientais na diversidade e interações das comunidades microbianas tem causado um grande interesse na ecologia microbiana. Aqui, descobrimos que com afluentes idênticos, mas com parâmetros operacionais diferentes (principalmente concentrações de sólidos suspensos em licores mistos (MLSS), tempo de retenção de sólidos (SRT) e concentrações de oxigênio dissolvido (DO), dois sistemas de tratamento de águas residuais municipais em escala real aplicando fosso de oxidação ( OD) e os processos de biorreator de membrana (MBR) abrigavam a maioria dos genes compartilhados (87,2%), mas tinham diferentes estruturas gênicas funcionais gerais, conforme revelado por dois conjuntos de dados de séries temporais de 12 dias gerados por uma matriz de genes funcional-GeoChip 4.2. Redes de associação de genes centrais de carbono, nitrogênio e fósforo em cada sistema com base na teoria da matriz aleatória (RMT) mostraram diferentes propriedades topológicas e os nós MBR mostraram uma indicação de maior conectividade. MLSS e DO mostraram ser eficazes na formação de estruturas de genes funcionais dos sistemas por análises estatísticas. Acredita-se que concentrações mais altas de MLSS, resultando em menor disponibilidade de recursos do sistema MBR, promovam interações positivas de importantes genes funcionais. Juntos, esses achados mostram as diferenças de potenciais funcionais de alguns bioprocessos causadas por diferentes condições ambientais e sugerem que o maior estresse de limitação de recursos aumentou as interações gênicas positivas no sistema MBR.

As estações de tratamento de águas residuais (ETEs) são as maiores aplicações da engenharia de bioprocessos usadas para tratamento de águas residuais domésticas e industriais, com consórcios microbianos desempenhando o papel central. Funções de nível de sistema (por exemplo, biodegradação e mineralização de poluentes orgânicos e ciclagem de nitrogênio e fósforo) e estabilidade do ecossistema são realizadas por meio do crescimento, atividades e interações de populações microbianas muito diversas. Como um ecossistema microbiano artificial único que é quimicamente e fisicamente bem definido, as ETEs são consideradas um campo de testes fértil para uma série de questões ecológicas fundamentais1.

A heterogeneidade ambiental, definida como a variação espacial e temporal do ambiente físico, químico e biológico, é uma propriedade fundamental dos ecossistemas2. Seu papel na formação da diversidade e composição da comunidade microbiana é comumente valorizado e um tópico intrigante. As ETEs são destinadas a fornecer condições ambientais adequadas para manter as abundâncias de populações microbianas, especialmente aqueles grupos funcionalmente importantes, dentro dos níveis normais de desempenho e estabilidade do sistema. Portanto, numerosos estudos enfocam a relação entre a diversidade da comunidade microbiana e as condições ambientais, principalmente com base em genes 16S rRNA ou genes funcionais específicos. Eles revelam as diferenças na diversidade e composição microbiana resultantes das diferenciações de, como, concentrações influentes de demanda química de oxigênio (COD inf)3, concentrações de oxigênio dissolvido (OD)4 e tempo de retenção sólida (SRT)5. Especificamente, foi sugerido que os biorreatores de volume fixo operados em altos SRTs serão altamente saturados com organismos que são capazes de utilizar eficientemente recursos escassos ('K-estrategistas'), enquanto baixos SRTs ajudarão a enriquecer organismos de crescimento rápido que são adaptados para alta utilização de recursos ('r-estrategistas')6. Alguns K-estrategistas como Nitrospira sp., Nitrosomonas sp. e taxa filogeneticamente associados com Planctomycetes e Chloroflexi, mostraram-se presentes apenas em SRTs ≥ 12 dias em um sistema de tratamento de águas residuais onde diferentes SRTs (30 d, 12 d e 3 d) e concentrações de sólidos suspensos em licor misto (MLSS) correspondentemente diferentes foram aplicado em diferentes estágios5.

A descrição da diversidade do inventário não é suficiente para um quadro completo da ecologia microbiana de um ecossistema. As interações microbianas também são um tópico chave da ecologia microbiana, através da qual diversas comunidades podem ter um desempenho melhor do que as espécies com melhor desempenho sozinhas. Com técnicas de alto rendimento desfrutando de uma popularidade esmagadora e uma grande quantidade de dados acumulados, as interações microbianas de grupos taxonômicos que habitam ETEs foram reveladas muito recentemente através de seus padrões de co-ocorrência espacial7 e temporal8. Esclarecer o efeito das variações ambientais nas interações microbianas é necessário para uma compreensão sistemática da ecologia microbiana das ETEs, o que também pode permitir que os engenheiros estruturem essas comunidades de forma mais eficiente.