Diversità e interazioni dei geni funzionali microbici in diverse condizioni ambientali: approfondimenti da un bioreattore a membrana e da un fossato di ossidazione

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 18509 (2016) Citare questo articolo

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L’effetto delle condizioni ambientali sulla diversità e sulle interazioni delle comunità microbiche ha suscitato un enorme interesse per l’ecologia microbica. Qui, abbiamo scoperto che con affluenti identici ma parametri operativi diversi (principalmente concentrazioni di solidi sospesi in liquori misti (MLSS), tempo di ritenzione dei solidi (SRT) e concentrazioni di ossigeno disciolto (DO), due sistemi di trattamento delle acque reflue municipali su vasta scala che applicano un canale di ossidazione ( OD) e i processi del bioreattore a membrana (MBR) ospitavano la maggior parte dei geni condivisi (87,2%) ma avevano strutture genetiche funzionali complessive diverse, come rivelato da due set di dati di serie temporali di 12 giorni generati da un gene array funzionale: GeoChip 4.2. Le reti di associazione dei geni centrali del ciclismo del carbonio, dell'azoto e del fosforo in ciascun sistema basati sulla teoria della matrice casuale (RMT) hanno mostrato proprietà topologiche diverse e i nodi MBR hanno mostrato un'indicazione di una connettività più elevata. MLSS e DO hanno dimostrato di essere efficaci nel modellare le strutture genetiche funzionali dei sistemi mediante analisi statistiche. Si pensava che concentrazioni più elevate di MLSS, con conseguente ridotta disponibilità di risorse del sistema MBR, promuovessero interazioni positive di importanti geni funzionali. Insieme, questi risultati mostrano le differenze dei potenziali funzionali di alcuni bioprocessi causati da diverse condizioni ambientali e suggeriscono che un maggiore stress dovuto alla limitazione delle risorse ha aumentato le interazioni genetiche positive nel sistema MBR.

Gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) sono le più grandi applicazioni di ingegneria dei bioprocessi utilizzate per il trattamento delle acque reflue domestiche e industriali, con i consorzi microbici che svolgono un ruolo centrale. Le funzioni a livello di sistema (ad esempio, la biodegradazione e la mineralizzazione degli inquinanti organici e il ciclo dell'azoto e del fosforo) e la stabilità dell'ecosistema si realizzano attraverso la crescita, le attività e le interazioni di popolazioni microbiche molto diverse. Essendo un ecosistema microbico artificiale unico e ben definito dal punto di vista chimico e fisico, gli impianti di depurazione sono considerati un terreno di prova fertile per una serie di questioni ecologiche fondamentali1.

L'eterogeneità ambientale, definita come variazione spaziale e temporale dell'ambiente fisico, chimico e biologico, è una proprietà fondamentale degli ecosistemi2. Il suo ruolo nel modellare la diversità e la composizione della comunità microbica è comunemente apprezzato ed è un argomento intrigante. Gli impianti di depurazione hanno lo scopo di fornire condizioni ambientali adeguate per mantenere l'abbondanza di popolazioni microbiche, in particolare di gruppi funzionalmente importanti, entro livelli normali per le prestazioni e la stabilità del sistema. Pertanto, numerosi studi si concentrano sulla relazione tra diversità della comunità microbica e condizioni ambientali principalmente basati su geni rRNA 16S o geni funzionali specifici. Rivelano le differenze nella diversità e nella composizione microbica risultanti dalle differenziazioni, ad esempio, delle concentrazioni della domanda chimica di ossigeno influente (COD inf)3, delle concentrazioni di ossigeno disciolto (DO)4 e del tempo di ritenzione solida (SRT)5. Nello specifico, è stato suggerito che i bioreattori a volume fisso gestiti con SRT elevati saranno altamente saturi di organismi in grado di utilizzare in modo efficiente risorse scarse ("strateghi K"), mentre SRT bassi contribuiranno ad arricchire gli organismi a crescita rapida che sono adattato per un elevato utilizzo delle risorse ("r-strategists")6. Alcuni K-strateghi come Nitrospira sp., Nitrosomonas sp. e taxa filogeneticamente associati a Planctomycetes e Chloroflexi, hanno dimostrato di essere presenti solo a SRT ≥ 12 giorni in un sistema di trattamento delle acque reflue in cui erano presenti diversi SRT (30 d, 12 d e 3 d) e corrispondentemente diverse concentrazioni di solidi sospesi nel liquore misto (MLSS). applicato in diverse fasi5.

La descrizione della diversità dell'inventario non è sufficiente per avere un quadro completo dell'ecologia microbica di un ecosistema. Le interazioni microbiche sono anche un argomento chiave dell’ecologia microbica, attraverso la quale diverse comunità possono ottenere risultati migliori rispetto alle specie più performanti prese da sole. Grazie alle tecniche ad alto rendimento che godono di una popolarità travolgente e di una grande quantità di dati accumulati, le interazioni microbiche dei gruppi tassonomici che popolano gli impianti di depurazione sono state rivelate molto recentemente attraverso i loro modelli di co-occorrenza spaziale7 e temporale8. Chiarire l’effetto delle variazioni ambientali sulle interazioni microbiche è necessario per una comprensione sistematica dell’ecologia microbica degli impianti di depurazione, che potrebbe anche consentire agli ingegneri di strutturare tali comunità in modo più efficiente.