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Microbial ecology of industrial activated sludge process : linking functional diversity to system performance

Gallegos, Erika Lizette De Leon

Understanding the microbial ecology of industrial activated sludge requires the linking of observed population dynamics to specific functions, such as degradation processes (nutrient removal) or disturbance events (bulking and foaming). Since functional diversity is generally assumed to be positively correlated to system stability, it is important to assess how diversity levels influence process performance. The present study underlines the value of recognizing and attributing functions to activated sludge microbes in industrial environments for enhanced process monitoring and control. Two case studies featuring full-scale industrial activated sludge plants were conducted using advanced molecular tools, e.g. Illumina sequencing, real-time PCR and FISH. Sequencing results showed that the distribution of high bacteria taxa was highly represented by Actinobacteria, Bacteroidetes, Proteobacteria and unclassified Bacteria in most of the samples, while at the species level, each biological step had a unique bacterial composition. Multivariate analysis of the sequencing data revealed that the most influencing variables driving community composition were temperature, pH, dissolved oxygen, sludge age and fatty acids. Core bacteria species were identified and classified according to their function in the system, i.e. Aequorovita, Flavobacterium, Bacterium Kaz2 and M. parvicella. Using newly designed 16S rRNA primers and probes, functional bacteria were quantified by real-time PCR and characterized by FISH. One of the most significant findings was the characterization of the Bacterium Kaz2, which is an unclassified bacterium. According to FISH results, it was determined that this bacterium belongs to the phylum Bacteroidetes. Regarding its morphological characteristics, FISH also showed that the Bacterium Kaz2 is a large coccus that grows in irregular clusters in a size range of 5 to 25 µm inside the sludge flocs. Its growth is promoted by high temperatures and low values of sludge age and it can easily adapt to aerobic and anoxic environments. Another important finding was the connection made between Aequorovita and foam formation problems. Aequorovita was present in high numbers of relative abundance (8.3 to 29.8 %) during foaming events at one of the plants, while M. parvicella, previously identified as the main bulking and foaming organisms at the same plant, was nearly absent (1.3 to 2.9 %). Moreover, it was also determined that both organisms are influenced by fatty acids, especially linolenic acid (C18:3), linoleic acid (C18:2), and palmitic acid (C16:0). Based on quantification results, it was also observed that Aequorovita can initiate foam formation at values greater than 8.3 % of relative abundance. The developed real-time PCR assays were further used to monitor changes on functional bacteria composition during pilot-plant trials (third case study) concerning the reduction of bulking and foaming. The success of the trials was evaluated in terms of the removal of fatty acids and phosphate from the influent wastewater, and the corresponding reduction of specific bulking and foaming bacteria, i.e. Aequorovita and M. parvicella. The results of the experiments suggested that the pre-treatment used during pilot-plant trials specifically targeted M. parvicella, and that it does not have a negative effect on the biocoenosis. However, the pre-treatment did not seem to work for the control of Aequorovita, since this bacterium was able to adapt to stress conditions. After pilot-plant trials, the pre-treatment was successfully implemented into a full-scale application.

Das Verständnis der mikrobiellen Ökologie setzt die Verknüpfung einer beobachteten Populationsdynamik zu spezifischen mikrobiellen Funktionen wie Abbauprozessen (Nährstoffelimination) oder Störereignissen (Blähschlamm) voraus. Da im Allgemeinen die Annahme getroffen wird, dass funktionale Diversität mit der Stabilität eines Prozesses korreliert, ist es wichtig zu beurteilen, wie Diversität auf die Leistungsfähigkeit eines Prozesses Einfluss nimmt. Die vorliegende Studie unterstreicht die Bedeutung einer klaren Erkennung und Zuordnung von mikrobiellen Funktionen industrieller Belebtschlämme im Hinblick auf eine verbesserte Prozessüberwachung und –steuerung. Im Rahmen zweier Fallstudien wurden die mikrobiologischen Werkzeuge Illumina sequencing, real-time PCR und FISH als Monitoring-Tools in zwei großtechnischen industriellen Belebtschlammverfahren eingesetzt. Die Ergebnisse der Sequenzierung zeigten, dass die Verteilung höherer bakterieller Taxa in den meisten Fällen durch Actinobacteria, Bacteroidetes, Proteobacteria und unclassified Bacteria dominiert wurde, während jede biologische Prozessstufe auf Speziesebene einzigartig war. Mithilfe einer multivariaten Datenanalyse konnte aufgezeigt werden, dass Veränderungen in der Zusammensetzung der Biozönose hauptsächlich durch die Einflussfaktoren Temperatur, pH-Wert, Gelöstsauerstoffkonzentration, Schlammalter und Fettsäuren hervorgerufen wurden. Bakterien mit einer Schlüsselrolle wie z.B. Aequorovita, Flavobacterium, Bacterium Kaz2 und M. parvicella wurden identifiziert und nach ihrer entsprechenden Funktion klassifiziert. Unter Anwendung von speziell angefertigten 16S rRNA-Primern und -Sonden wurden funktionale Mikroorganismen mithilfe von real-time PCR quantifiziert und durch eine FISH-Analyse charakterisiert. Eine der zentrall Erkenntnisse bestand in der Charakterisierung des Bakteriums Kaz2, welches bisher nicht klassifiziert ist. Anhand der FISH-Analyse wurde festgestellt, dass Kaz2 zum Phylum der Bacteriodetes gehört. In morphologischer Hinsicht bildet Kaz2 große Kokken in unregelmäßigen Agglomeraten von 5 bis 25 µm innerhalb der Schlammflocke aus. Als weiteres wichtiges Ergebnis dieser Studie wurde das Verhältnis zwischen dem Mikroorganismus Aequorovita und der Entstehung von Blähschlamm angesehen. Aequorovita kam bei Blähschlammereignissen in hohem Anteil von 8,3 bis 29,8 % im Schlamm einer Anlage vor, während M. parvicella, welches zuvor als Schlüsselorganismus für Blähschlamm angesehen wurde, lediglich einen Anteil von 1,3 bis 2,9 % aufwies. Des Weiteren wurde festgestellt, dass beide Organismen durch die Anwesenheit von Fettsäuren, vor allem Linolensäure (C18:3), Linolsäure (C18:2) und Palmitinsäure (C16:0), beeinflusst wurden. Mithilfe der Quantifizierungsergebnisse konnte beobachtet werden, dass Aequorovita die Entstehung von Blähschlamm bereits ab einem Anteil von 8,3 % initiieren kann. Die in dieser Studie entwickelte real-time PCR Analyseverfahren wurden weiterhin genutzt um Veränderungen in der Biomassezusammensetzung bezüglich funktionaler Bakterien während eines Pilot-Versuchs (dritte Fallstudie) zur Blähschlammbekämpfung zu überwachen. Als Erfolgsmerkmale wurden dabei die durch eine Vorbehandlung induzierte Entfernung von Fettsäuren und Phosphat aus dem Zulauf zur biologischen Stufe, sowie der Rückgang von schaum- und blähschlammbildender Populationen wie Aequorovita und M. parvicella bewertet. Die erlangten Ergebnisse deuteten auf eine spezifische Beeinflussung der M. parvicella Population durch die Vorbehandlung hin, während die übrige Biomasse nicht negativ beeinflusst wurde. Aequorovita hingegen wurde nicht durch die Vorbehandlung beeinflusst, da das Bakterium offenbar in der Lage war, sich an die entsprechende Stresssituation anzupassen. Nach Beendigung der Pilot-Versuche wurde eine funktionsgleiche Vorbehandlungsstufe in die großtechnische Anlage implementiert.

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Gallegos, Erika Lizette De Leon: Microbial ecology of industrial activated sludge process. linking functional diversity to system performance. 2018.

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