Molecular characterization of microbial diversity in wastewater treatment and reuse

Abstract

La generació d’aigua residual és una conseqüència inevitable de les activitats humanes. Aquestes activitats modifiquen les característiques de les aigües de consum, contaminant-les i invalidant la seva posterior aplicació per altres usos. Abocar aquestes aigües sense depurar ocasiona danys, a vegades irreversibles, al medi ambient. D’altra banda, l’abocament d’aigües no depurades suposa riscos per la salut pública. Per aquesta raó, la depuració de les aigües residuals esdevé una necessitat important a la nostra societat. Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) constitueixen un dels processos biotecnològics més importants utilitzats arreu del món per depurar aigües residuals municipals i industrials. Des d’un punt de vista biològic, els microorganismes juguen un paper important en la depuració de les aigües residuals ja que són els principals responsables de l’eliminació de la matèria orgànica i dels nutrients d’aquestes aigües. D’altra banda, la reutilització de l’aigua s’està convertint en un aspecte cada vegada més important de la gestió sostenible dels recursos hídrics. En aquesta tesi s’ha estudiat la composició de les comunitats microbianes en diferents ambients relacionats amb la depuració d’aigües residuals i la seva reutilització. Per un costat, s’han estudiat i comparat les comunitats microbianes trobades en processos convencionals de depuració amb dos sistemes atípics de depuració d’aigua residual (un fang activat provinent d’una EDAR que processa aigua de mar i uns aiguamolls construïts). Per un altre, s’han determinat les diferències en el perfil microbià d’una aigua depurada versus una aigua dolça natural, amb la intenció de trobar un indicador alternatiu de qualitat de l’aigua. Finalment, s’ha analitzat la població microbiana associada amb els problemes derivats de la reutilització d’aigua. Les mostres del fang activat marí van ser analitzades utilitzant una aproximació completa per l’anàlisi de rRNA (electroforesi en gel de gradient desnaturalitzant, genoteca i hibridació in situ), obtenint-se una imatge de la composició de la comunitat completament diferent a la d’un fang activat convencional, amb la particularitat que es va trobar una presència molt baixa del grup Betaproteobacteria. A més, la detecció del gen funcional amoA va corroborar la presencia d’oxidadors d’amoni, que probablement eren de generes diferents als descrits en la literatura. Per un altra banda, les comunitats microbianes trobades en aiguamolls construïts experimentals pertanyien a espècies relacionades amb l’eliminació de matèria orgànica. L’estudi dels perfils d’aquestes comunitats va permetre determinar l’efecte del tipus de planta, el disseny hidràulic i la càrrega de matèria orgànica d’aquests sistemes en la seva composició. Comparant els nostres sistemes atípics de depuració amb els sistemes convencionals, es va poder concloure que cada sistema té la seva comunitat microbiana específica, adaptada a les seves condicions ambientals, duent a terme les mateixes funcions però amb diferents grups implicats. Tanmateix, l’examen dels perfils de diversitat microbiana d’aigües depurades provinents de EDARs i la seva comparació amb els perfils d’aigües naturals no contaminades mostrava que els efluents de depuradora tenen una empremta comú, que difereix de la d’una aigua natural. Segons això, tenint en compte els grups taxonòmics trobats més abundants en aquest tipus d’aigües, proposem l’ús de la ratio Bacteroidetes, Gammaproteobacteria i Nitrospira / Betaproteobacteria com a indicador alternatiu de qualitat ecològica de l’aigua. Pel que fa a la reutilització d’aigües, es va estudiar un exemple d’un problema de formació de biofilms derivat de l’ús d’aigua regenerada en un sistema de reg per goteig. En aquests biofilms la comunitat microbiana estava principalment composada per microorganismes termòfils i esporulats, la qual cosa suggereix que les altes temperatures dins de la infrastructura de reg van seleccionar aquestes poblacions. Per tant, sembla ser que les condicions en el sistema de reg poden ser més importants que la composició de la pròpia aigua regenerada.

Wastewater generation is an inevitable consequence of human activities. These activities modify the characteristics of the original waters, contaminating them and invalidating subsequent application for other uses. Dumping of raw sewage causes damage, sometimes irreversible, to the environment. On the other hand, the discharge of untreated sewage poses risks to public health. Thus, wastewater treatment becomes an important need in our society. Wastewater treatment plants constitute one of the most important biotechnological processes used worldwide to treat municipal and industrial sewage. From a biological point of view, microorganisms play an important role in wastewater treatment since they are the main responsible of the remove of organic matter and nutrients from this sewage. Furthermore, water reuse is becoming increasingly important as a component of sustainable management of water resources. In this thesis we investigated the composition of microbial communities in different environments related to wastewater treatment and reuse. First, we studied and compared the microbial communities found in conventional processes with two atypical treatment systems (activated sludge from a seawater-processing EDAR and constructed wetlands). On the other hand, we determined how different was the microbial profile of a treated wastewater versus a natural freshwater, and tried to find out an alternative indicator of water quality. Finally, we examined the microbial population associated with the problems arising from water reuse. Samples of a marine activated sludge were analyzed by using the full-cycle rRNA approach (denaturing gradient gel electrophoresis, clone libraries and in situ hybridization), obtaining a picture of the composition of the community completely different from a conventional activated sludge, with particularly a low presence of Betaproteobacteria. In addition, detection of the functional gene amoA corroborated the presence of ammonia oxidizers, corresponding probably to different genera from those described in the literature. On the other hand, the microbial communities found in experimental constructed wetlands belonged to species related with organic matter removal. The study of the profiles of these microbial communities allowed determining the effect of the type of plant, hydraulic design and organic matter load of these systems in their composition. Comparing our atypical treatment systems with conventional ones, we can conclude that each system has its specific microbial community, adapted to its environmental conditions, with the same functions being carried out by different groups. Besides, examination of microbial diversity profiles of treated wastewater from different EDARs and comparison with natural non-contaminated water showed that sewage effluents have a common fingerprint, which differs from natural water. Thus, taking into account the most abundant groups found in these types of waters, we proposed the use of the Bacteroidetes, Gammaproteobacteria and Nitrospira / Betaproteobacteria ratio as an alternative indicator of ecological water quality. Concerning water reuse, we focused on an example of a biofouling problem derived from the use of reclaimed water in a drip irrigation system. In these biofilms the microbial community was mainly composed of thermophilic and sporulated microorganisms, suggesting that high temperatures within the irrigation infrastructure selected these populations. Thus, it seemed that the conditions in the system may be more important than the composition of reclaimed water itself.