Isolation and characterization of the genomic variability in activated-sludge: a comparative analysis between bacterial isolates and operation parameters

Abstract

Activated-sludge is one of the most important biotechnological processes of our times supported by a mixture and variable set of micro and macro organisms that, in complex association, are able to remove and/or transform not only particulate pollutants but also particles dissolved in the mix. Bacteria play an essential role in these transformations that are carried mainly in aerobic conditions. As in any other ecosystem, the microbiological community of activated-sludge is determined by the operational and physical-chemical variables prevalent in the aerated tank of these systems. Over the years, wastewater treatment was engineered with none or little knowledge about microorganisms, being the main information on the process provided by chemical and physical analyses. The difficulty of identifying the prevailing microorganisms, especially the bacteria, has been one of the reasons for its withdrawal. Molecular methods brought some advantages to this scenario enabling the identification of the prokaryotic microorganisms. The aim of the present project was the study of the prokaryotic community of 8 wastewater treatment plants (WWTP) in the south region of Portugal, using molecular and bioinformatic approaches. A polymerase chain reation (PCR) was carried on and the primer M13 was chosen to discriminate the bacterial isolates previously obtained from the samples. The software Bionumerics was used to analyse the data building a dendrogram of the isolates based on the genetic profile and enabling the subsequent analyses of the relations between the microorganisms and the physical-chemical and operational parameters of the WWTP. This work is a exploratory work and, to the knowledge of the team, it was never done before. The results showed a tendency for an aggregation of the microrgamisms of only one of the studied WWTP. In fact, the isolates that showed the highest similarity belong to that plant. The other isolates do not seem to show any pattern of similarity, probably indicating low variability among the remaining systems. This can be due to the fact that all the studied WWTP came from one limited geographic region and are explored by one enterprise. The present results show some interesting clues about the potentialities of these techniques to be use in the project PROTOFILWW that aimed at studying thirty-seven WWTP, all over the country over two years. In conclusion, molecular techniques together with bioinformatics can have a significant contribution to the study and comprehension of the complex communities of activated-sludge systems, namely the prokaryotic component.

O processo de lamas activadas é um dos mais importantes processos biotecnológicos dos nossos tempos e não é nada mais do que uma mistura e um conjunto variável de organismos que, numa complexa associação, são capazes de remover e/ou transformar os poluentes. As bactérias desempenham um papel essencial nestas transformações que ocorrem principalmente em condições aeróbias. Como em qualquer outro ecossistema, a comunidade microbiológica de lamas activadas é determinada pelas variáveis operacionais e físico-químicas prevalecentes no tanque de arejamento dos sistemas de tratamento. Ao longo dos anos, o tratamento das águas residuais foi levado a cabo sem ter em atenção os microrganismos que o levavam a cabo, tendo sido as principais informações para a sua monitorização fornecidas por análises químicas e físicas. A dificuldade em identificar os microrganismos que prevalecem nas lamas activadas, especialmente as bactérias, tem sido uma das razões para este facto. Os métodos moleculares vieram melhorar em grande parte este cenário ao permitir a identificação dos microorganismos procarióticos não distinguíveis por métodos microscópicos. O objetivo do presente trabalho foi o estudo da comunidade procariótica de 8 estações de tratamento de águas residuais (ETAR) na região sul de Portugal, através de abordagens moleculares e bioinformática. Uma reacção de polimerização em cadeia (PCR) foi realizada, usando o primer M13, com o objetivo de discriminar as bactérias isoladas a partir das amostras dessas ETAR. O software Bionumerics foi utilizado para analisar os dados e para a construção de um dendrograma com base no perfil genético, permitindo análises posteriores das relações entre os microorganismos e os parâmetros físico-químicos e operacionais das ETAR. O presente trabalho é um trabalho exploratório, na medida em que não se conhece nenhum feito nos mesmos moldes em ETAR. Os resultados mostraram uma tendência para agregação dos microrganismos de apenas uma das ETAR estudadas. De facto, os isolados que mostraram mais semelhança entre si pertencem a esta ETAR. Os demais isolados não parecem mostrar qualquer padrão de similaridade, provavelmente indicando baixa variabilidade entre as ETAR. Este facto pode ocorrer porque as ETAR estudadas se encontram numa região geográfica limitada e são exploradas pela mesma empresa. Os resultados demonstram algumas pistas interessantes sobre as potencialidades desta técnica que pode ser explorada no projeto PROTOFILWW que teve como objetivo estudar 37 ETAR em todo o país durante dois anos. Em conclusão, as técnicas moleculares, juntamente com a bioinformática, podem ter uma contribuição significativa no estudo e na compreensão das complexas comunidades de lamas ativadas, nomeadamente a componente procariótica.