Caracterització de l’operació i estudi metatranscriptòmic d’un bioreactor de dessulfuració d’alta càrrega d’H2S

Abstract

Aquest apartat és un resum general del seguit de capítols que estructuren aquesta tesi doctoral. En aquest sentit es presenta una revisió bibliogràfica al voltant dels sistemes de tractament de gasos contaminants, centrant la introducció en el contaminant d’estudi, l’H2S, i els sistemes de tractament biològic. De manera similar, es presenta un apartat introductori al voltant dels bacteris sulfur‐oxidants. Complementant aquesta part, es fa un recull descriptiu de diferents tècniques de biologia molecular, basades en marcadors filogenètics moleculars, per a l’estudi de comunitats microbianes. Per últim, es presenta una revisió de les diferents tecnologies de seqüenciació de DNA de nova generació amb la intenció d’introduir i fonamentar l’aproximació bio‐òmica per a l’estudi de comunitats microbianes complexes. Seguidament en el segon capítol d’aquesta tesi, es desenvolupa un primer estudi al voltant de la posada en marxa i operació del biofiltre percolador de dessulfuració d’alta càrrega d’H2S, mitjançant la configuració d’un nou material de rebliment inorgànic desordenat. En base al monitoratge de diferents paràmetres, s’aconsegueix optimitzar el règim d’operació establint unes noves condicions d’operació que minimitzen la generació de sofre inorgànic en el bioreactor. En el tercer capítol, i com a aproximació inicial en l’estudi de les comunitats microbianes del bioreactor, es construeixen per a dos moments operacionals separats en el temps, dues llibreries gèniques de 16S rRNA. En base a la identificació d’espècies realitzada per seqüenciació dels fragments clonats, es seleccionen diverses espècies microbianes sulfur‐oxidants amb intenció d’estudiar la seva adaptació i dinàmica al llarg de l’operació. Mitjançant la tècnica FISH es visualitzen i quantifiquen aquestes espècies sulfur‐oxidants, realitzant un seguiment a diferents altures del cos del bioreactor permetent analitzar la dinàmica poblacional dels microorganismes hibridats. Complementant l’estudi realitzat per a la caracterització i el seguiment de poblacions microbianes, en el capítol quatre d’aquesta tesi es descriu el procés d’optimització de la metodologia necessària per a la realització de l’estudi metatranscriptòmic de les comunitats microbianes del biofitre. En aquest capítol es descriuen, per als diferents processos experimentals implementats, els resultats obtinguts amb l’objectiu d’optimitzar els rendiments d’extracció i purificació de mRNA. Finalment, assolits els rendiments necessaris tant en termes de quantitat com de qualitat, es presenta el protocol optimitzat per a la preparació de les mostres seqüenciades en la plataforma GS FLX de Roche&454. Finalment en l’estudi metatranscriptòmic presentat en el capítol cinc, es processen tres mostres corresponents a diferents zones del biofiltre. Inicialment s’apliquen diferents estratègies d’assemblatge de les lectures amb intenció d’optimitzar el càlcul d’assemblatge. Mitjançant l’anàlisi bioinformàtica es realitza la interpretació del metatranscriptoma referit a cada una de les zones de mostreig. Es quantifiquen els nivells d’expressió per a cada un dels contigs generats permetent l’anàlisi comparativa del grau d’expressió dels gens del biofiltre a diferents altures.

This section is an overview of the different chapters that outline this thesis. In this sense it is presented a bibliographical review about the polluting gas treatment systems, focusing on the introduction of the contaminant study, H2S, and biological treatment systems. Similarly, there is an introductory section about sulfur‐oxidizing bacteria. Complementing this part includes a summary description of various molecular biology techniques based on molecular phylogenetic markers for the study of microbial communities. Finally, it is presented a review of new generation DNA sequencing technologies with the intention of introducing and establishing the bio‐omic approach for studying complex microbial communities. Then in the second chapter of this thesis, is developed a first study about biotrickling filter operation for desulfurization of high H2S loads by setting a new disordered inorganic packing material. Based on the monitoring of various parameters the system operation is optimized and established in new operating conditions that minimize the generation of inorganic sulfur in the bioreactor. In the third chapter, as initial approach to the study the microbial diversity in the bioreactor, two libraries of 16S rRNA genes are generated for two separate operational periods. Based on species identification performed by sequencing of cloned fragments, it has been selected several sulfur‐oxidizing species with the intention to study the community dynamics during the start up and bioreactor operation. Using the FISH technique, these sulfur‐oxidizing species have been identified and quantified, withdrawing biomass at different heights of the bioreactor to analyze the population dynamics of microorganisms hybridized. Complementing the study for the characterization and monitoring of microbial populations, the chapter four of this thesis describes the experimentation and optimization of the procedure to develop a metatranscriptomic work of microbial communities of the biofilter. This chapter describes the results obtained for different experimental procedures, with the aim of optimizing the yields of extraction and purification of mRNA. Finally achieved the required yields in terms of both quantity and quality, it is presented the optimized protocol for samples preparation to be sequenced in the GS FLX platform Roche & 454. In chapter five, are processed three metatranscriptomic samples from different areas of the biofilter. As initial procedure, different assembly strategies are experimented with the intention to optimize the assembly calculation of sequencing lectures. By bioinformatic analysis are performed the expression levels quantification for each contig generated, allowing comparative analysis of degree expression at different biofilter heights. In parallel, is performed a similarity search in different databases in search of specific functional annotation. With intention to extend the functional annotation of the resulting metatranscriptomes it is presented the characterization of contigs obtained by the analysis of gene ontology for each sequence. The enormous volume of sequence information generated is presented as a description of the global gene expression referring to different parts of the bioreactor desulfurization of high H2S load. Finally, the last chapter of the thesis presents a summary of the conclusions reached in this work, as well as a description of the possible continuation of this thesis study.