Dinámica y distribución de comunidades bacterianas en dos biorreactores de lodos activados en plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas

Abstract

Biological wastewater treatment systems are recognized today as the most common biotechnological application in the World. But despite of their widely distributed use, there is a very limited knowledge of their distinctive microbial diversity, the dynamics between populations, and biogeographical pattern in the community structure, especially in tropical environments. In order to comprehend the highly complex microbial dynamics of these ecosystems, two activated sludge bioreactors in Puerto Rico were studied. Temporal and spatial variations of dominant populations, as well as patterns between community variations and operational parameters were assessed during a 13 months period through molecular techniques, consisting of t-RFLP and clone libraries analyses. Both biological and environmental data were analyzed using a combination of multivariate statistical tools, including: Canonical Correspondence Analysis, Non- Metric Multidimensional Scaling and Analysis of Similarity. Although an apparent overlapping between populations was observed, the results revealed significant differences between the two treatment plants and shows that the microbial community in the smaller bioreactor (Adjuntas, 0.6 millions of gallons per day, MGD) is more unstable and inefficient than the community in the bigger one (Mayagüez, 28 MGD). We identified operational parameters such as pH, solid and hydraulic retention times, and flow showing strong correlations with shifts in the community structure. The bacterial community in Adjuntas bioreactor appeared to be more susceptible to chemical variations in the influent wastewater. Furthermore, the shorter solid retention time of the system (≈ 5 days) promotes a codominance of microbial populations, which results in system inestability. In both plants, bacteria from the Proteobacteria, Cyanobacteria and the Bacteroidetes were the most abundant groups, which differed from some diversity studies previously published. In general, our findings demonstrate that each treatment plant has a distinctive microbial community structure while the microbial community at the smaller bioreactor was more inconsistent in the water cleaning process than the community in the Mayagüez bioreactor. These findings can contribute to the development and implementation of more stable, efficient and less expensive biological treatment systems.

Los sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales son reconocidos hoy día como la aplicación biotecnológica más común en el mundo. A pesar de su amplio uso, existe un conocimiento muy limitado sobre sus aspectos biológicos, incluyendo: diversidad microbiana, dinámica de comunidades y patrones biogeográficos; especialmente en ambientes tropicales. Con el propósito de comprender mejor las complejas dinámicas microbianas en estos ecosistemas, se estudiaron dos biorreactores de lodos activados en Puerto Rico. Por medio de las técnicas moleculares de t-RFLP y bibliotecas de clones ambientales se estudiaron variaciones temporales y espaciales en las poblaciones dominantes, al igual que relacionaron variaciones en la comunidad microbiana y variaciones en parámetros operacionales durante un periodo de 13 meses. Tanto datos biológicos como ambientales fueron analizados utilizando una combinación de herramientas estadísticas multivariadas, incluyendo: Análisis Canónico de Correspondencia, Análisis de Escalamiento Multidimensional No-Métrico y Análisis de Similaridad. Aunque se observo una aparente solapamiento entre las poblaciones, los resultados revelaron diferencias significativas entre las dos plantas de tratamiento y mostraron que la comunidad microbiana en el reactor de menor capacidad (Adjuntas, 0.6 millones de galones diarios, MGD) es más inestable e ineficiente que la comunidad en el reactor de mayor capacidad (Mayagüez, 28 MGD). Pudimos identificar parámetros como el pH, tiempos de retención hidráulica y retención de sólidos, y flujo mostrando fuertes correlaciones con cambios en la estructura comunitaria. La comunidad bacteriana en el biorreactor de Adjuntas demostró ser más susceptible a variaciones químicas en el agua del afluente. Además, los cortos tiempos de retención de sólidos del sistema (≈5 días) promueven una codominancia de poblaciones bacterianas en el biorreactor, lo que resulta en inestabilidad del sistema. En ambas plantas, bacterias pertenecientes a las Proteobacterias, Cyanobacterias y los Bacteroidetes fueron los grupos más abundantes, lo que difiere de otros estudios previamente publicados. En general, nuestros hallazgos demostraron que cada planta de tratamiento posee una comunidad bacteriana distintiva, mientras que la comunidad microbiana en el reactor de menor capacidad fue más inconsistente en el proceso tratamiento que la comunidad en el reactor de Mayagüez. Los resultados de este estudio pueden contribuir al desarrollo e implementación de sistemas de tratamiento biológico más estables, eficientes y menos costosos.