Metagenomic analysis of a Nitritation - Anammox reactor: community members and processes

Abstract

Nitrogen is a fundamental element for all organisms. It is nevertheless predominantly found in the atmosphere, in the form of unreactive nitrogen. In the last century, a manmade method for nitrogen fixation improved the crops yield, fuelling a populational growth. The exponential increase of anthropogenic nitrogen in soils and water bodies has, however, affected the environment and deregulated the natural biogeochemical nitrogen cycle. Currently, the costs of repairing the damage caused by the reactive nitrogen load from human activities have overcome the profits of the agricultural improvement, derived from the application of fertilizers. Wastewater treatment plants remove the excessive amounts of nutrients such as carbon, nitrogen and phosphorus from wastewater to prevent environmental impacts derived from excessive nitrogen in the biosphere, like eutrophication. The current conventional wastewater treatment applied is nitrification coupled with denitrification. However, the requirement for an external carbon source and aeration render this process costly. Furthermore, one of the intermediates of denitrification is nitrous oxide, a greenhouse gas with an effect three hundred times worse than carbon dioxide and with a lifespan of one hundred and twenty years in the ozone layer. The Partial Nitrification/Anammox (PNA) process combines aerobic ammonium oxidation with anaerobic ammonium oxidation while suppressing the activity of nitrite oxidizing bacteria. This efficient process of nitrogen removal from wastewater reduces the aeration cost and the need for external carbon with zero nitrous oxide emissions. Unknown microbial interactions may, on the other hand, impair this process, resulting in suboptimal performance such as, excessive nitrate and nitrous oxide emissions. To better understand the microbial community and its interactions and to find the causes of the treatments instability, metabolic analysis and genomic annotation was performed, using two complementary binning methods. The biological samples used in this study were retrieved from a high-rate PNA sequencing batch reactor, fed with carbon-free ammonium-rich synthetic wastewater. Fifty-seven draft genomes making up about eighty percent of the total community metagenome were recovered. In addition to the three genomes each from Nitrosomonas and Candidatus Brocadia, several genomes belonged to Proteobacteria, Chloroflexi, Planctomycetes, Bacteroidetes, Armatimonadetes, Ignavibacteriae, Acidobacteria, Chlorobi, Verrucomicrobia, Actinobacteria and Gemmatimonadetes phyla. In this study, the heterotrophic organisms encoding partial denitrification could be divided into niches accordingly to their role in this pathway, describing their interactions as a community. The complexity of the community was also ascertained with the discovery of putative heterotrophic hydroxylamine oxidizing bacteria and putative heterotrophic nitrite oxidizing bacteria. Overall, high quality genomes that constitute a high fraction of the metagenome were recovered, allowing for a precise description of the PNA reactors community and the flow of nitrogen oxides. A complex community with high redundancy was uncovered basing the main interactions on the partitioning of the nitrogen oxides respiratory pathway.

O azoto é um elemento essencial para todos os organismos. No entanto, este é predominantemente encontrado na atmosfera, sob a forma de azoto não-reativo. No século passado, um método artificial para a fixação de azoto melhorou o rendimento das culturas, alimentando um crescimento populacional. O aumento exponencial do azoto antropogénico nos solos e massas de água afetou o meio ambiente e desregulou o ciclo natural de azoto. Atualmente, os custos de reparação dos danos causados pela inserção excessiva de azoto reativo, fruto das atividades humanas, superam os lucros da melhoria na produção agrícola, derivada da aplicação de fertilizantes. As centrais de tratamento de águas residuais eliminam quantidades excessivas de nutrientes, como o carbono, azoto e fosforo das águas residuais, para prevenir impactos ambientais derivados do excesso de azoto na biosfera, como a eutrofização. O tratamento convencional de águas residuais aplicado é a nitrificação juntamente com a desnitrificação. No entanto, a necessidade de uma fonte externa de carbono e de aeração tornam esse processo bastante caro. Além disso, um dos intermediários da desnitrificação é protóxido de azoto, ou óxido nitroso, um gás de efeito de estufa com um efeito trezentas vezes pior que o dióxido de carbono, e uma vida útil na camada de ozono de cento e vinte anos. O processo de Nitrificação parcial /Anammox (PNA) comina a oxidação aeróbica de amónia com a oxidação anaeróbica de amónia enquanto a atividade de bactéria que oxidam nitrito é suprimida. Este eficiente processo de remoção de azoto de águas residuais reduz o custo de aeração, não requer uma fonte de carbono e gera zero emissões de protóxido de azoto. As interações microbianas desconhecidas podem, por outro lado, prejudicar este processo, resultando num desempenho inferior, como produção excessiva de nitrato e emissão de protóxido de azoto. Para entender melhor a comunidade microbiana, as suas interações e as causas da instabilidade do tratamento, foi realizada uma análise metagenómica seguida de anotação genómica, utilizando dois métodos complementares de binning. As amostras biológicas utilizadas como dados neste estudo foram obtidas de um reator de PNA de alta performance, alimentado com águas residuais sintéticas ricas em amónio sem adição de carbono. Foram recuperados cinquenta e sete genomas que compõem cerca de oitenta por cento do metagenoma. Além dos três genomas de cada de Nitrosomonas e Candidatus Brocadia, vários genomas pertenciam aos filos de Proteobacteria, Chloroflexi, Planctomycetes, Bacteroidetes, Armatimonadetes, Ignavibacteriae, Acidobacteria, Chlorobi, Verrucomicrobia, Actinobacteria e Gemmatimonadetes. Neste estudo, os organismos heterotróficos que codificam a desnitrificação parcial podem ser divididos em grupos de acordo com o seu papel nesta via metabólica, descrevendo as suas interações na comunidade. A complexidade da comunidade também foi verificada com a descoberta das bactérias heterotróficas putativas que oxidam hidroxilamina e as bactérias heterotróficas putativas que oxidam nitrito. Em geral, foram recuperados genomas de alta qualidade que constituem uma grande fração do metagenoma, permitindo uma descrição precisa da comunidade do reator e o fluxo de óxidos de azoto. Uma comunidade complexa com enorme redundância e com as suas principais interações baseadas na partição da via respiratória de óxidos de azoto.