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Ver el documento (formato PDF)   Ibarbalz, Federico Matías.  "Metagenómica de lodos activados. Factores determinantes del ensamblado de comunidades bacterianas en el tratamiento de efluentes"  (2016-04-18)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
El tratamiento biológico de efluentes domésticos o industriales por lodos activados se basa en la actividad de poblaciones microbianas capaces de autoensamblarse para constituir una comunidad dinámica de alta diversidad. Revelar los factores que determinan la estructura de las comunidades microbianas y los mecanismos que conducen a su ensamblado es crítico para mejorar la gestión del proceso de tratamiento y para proveer un marco conceptual que pueda ser aplicado a comunidades microbianas en otros procesos de biotecnología ambiental. Varios estudios previos realizados en plantas de tratamiento de lodos activados municipales, de diferente configuración y provenientes de sitios geográficamente distantes, sugerían la presencia de taxones bacterianos de alto rango (filos) comunes a todos los sistemas estudiados. En base a estos antecedentes, se planteó la hipótesis de que los determinantes ecológicos del proceso de tratamiento relacionados con la formación del agregado biológico (floc), que permite la retención de la biomasa en el sistema, serían los principales responsables de definir la composición de la comunidad bacteriana en lodos activados. Los objetivos de esta tesis fueron: 1) comprobar si existe un grupo común (core) de taxones bacterianos y funciones en plantas de tratamiento de efluentes municipales e industriales, y 2) determinar cuáles son las variables ambientales y operacionales relevantes en la estructuración de las comunidades bacterianas de los lodos activados. Se realizaron estudios de metagenómica comparativa, utilizando técnicas de pirosecuenciación de amplicones de las regiones variables V1-V3 del gen de ARN ribosomal 16S (ARNr 16S), y secuenciación al azar de ADN metagenómico. Se analizaron lodos activados de 9 plantas de tratamiento de efluentes ubicadas en Argentina, dos municipales y siete industriales, cada una muestreada en dos oportunidades, separadas por períodos de hasta 4 años, conjuntamente con los datos metagenómicos de 12 plantas de tratamiento industriales y municipales localizadas en China, India, Singapur y Corea del Sur, generados en otros laboratorios. Se determinó que la diversidad taxonómica y funcional es significativamente mayor en lodos activados municipales que en industriales. Cada sistema de lodos activados que trata un efluente industrial particular presentó una composición bacteriana característica, reproducible en el tiempo, y marcadamente distinguible del patrón de filos y clases bacterianas observado en plantas municipales. A pesar de los cambios a nivel de género dentro de cada planta, se observó una conservación de los perfiles de contenido de GC en los metagenomas. Se detectó una preferencia particular de ciertos grupos bacterianos consistente con diferencias subyacentes en las abundancias de categorías funcionales particulares, que a su vez se relacionaron con la metabolización de constituyentes específicos de los efluentes. Se concluye que las características del efluente son el principal determinante de la estructuración de las comunidades bacterianas en sistemas de lodos activados. Asimismo, se sugiere que el aumento en la variedad de sustratos que ingresan a los procesos de tratamiento, por ejemplo combinando efluentes de diferentes orígenes en parques industriales, permitiría la conformación de comunidades microbianas más robustas en términos de resistencia y resiliencia frente a perturbaciones. Los modelos mecanicísticos como el ASM1 o el ASM3, que son herramientas valiosas para la representación de procesos biológicos que ocurren en biorreactores, son calibrados utilizando parámetros derivados de plantas de tratamiento municipales. Los resultados obtenidos en esta Tesis resaltan la importancia de considerar las diferencias taxonómicas y funcionales entre lodos activados industriales y municipales, ya que las mismas podrían reflejar cambios en la cinética de consumo de sustratos y en la formación de productos de almacenamiento.

Abstract:
Biological treatment of domestic and industrial wastewater by activated sludge relies on a self-assembled, highly diverse and dynamic microbial community. Revealing the factors that determine the community structure and the mechanisms that drive microbial community assembly in activated sludge is critical to improve the reliability of wastewater treatment management and to help developing a conceptual framework that could be applied to microbial communities in other processes of environmental biotechnology. Several previous studies, conducted on municipal wastewater treatment plants of varying configuration and geographical location, indicated the presence of a common core of high-rank bacterial taxa (phyla). Based on these results, it was hypothesized that the ecological drivers related to the floc formation, a biological aggregate that allows biomass retention, would be the main factors defining the bacterial community composition in activated sludge. The objectives of this work were: 1) to test the existence of a common core of bacterial taxa and functions across municipal and industrial wastewater treatment plants, and 2) to determine which environmental and operational variables are relevant in structuring the bacterial communities of activated sludge. Comparative metagenomic studies were performed utilizing amplicon-sequencing of V1-V3 variable regions of the 16S rRNA gene, and shotgun-sequencing of metagenomic DNA. Two municipal and seven industrial wastewater treatment plants located in Argentina were surveyed, each sampled twice, at times separated by periods of up to 4 years, and analyzed in conjunction with the metagenomic data sets of 12 other municipal and industrial wastewater treatment plants located in China, India, Singapore and South Korea, generated in other laboratories. The taxonomic and functional diversity in municipal activated sludge was found to be significantly higher than that of industrial activated sludge. Each industrial activated sludge exhibited a unique bacterial composition, occurring in a reproducible manner, clearly distinguishable from the high-rank bacterial taxa pattern present in municipal plants. Interestingly, in spite of a changing genera profile within each community, there was a distinct GC content profile in their metagenomes. A particular preference of certain bacterial groups was detected, and it was consistent with underlying differences in the abundance of specific functional categories, which were at the same time related with metabolic pathways involving specific wastewater components. The conclusion is that wastewater features are the main drivers for bacterial community structure in activated sludge. Moreover, an increase in the variety of influent substrates, e.g. by the combination of different influents within an industrial park, would allow the existence of more robust microbial communities, in terms of resistance and resilience against disturbances. Mechanistic models like ASM1 or ASM3, which are valuable tools for the representation of biological processes taking place in bioreactors, are calibrated using parameters from municipal treatment plants. The results obtained in this Thesis highlight the importance of considering the taxonomic and functional differences between municipal and industrial activated sludge, as these may reflect changes in the kinetics of substrate consumption and storage products formation.

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Registro:
Título : Metagenómica de lodos activados. Factores determinantes del ensamblado de comunidades bacterianas en el tratamiento de efluentes     =    Metagenomics in activated sludge. Drivers of bacterial community assembly in wastewater treatment
Autor : Ibarbalz, Federico Matías
Director : Erijman, Leonardo
Director Asistente : Figuerola, Eva L.M.
Consejero : Muschietti, Jorge P.
Jurados : Pettinari, María J.  ; Dionisi, Hebe M.  ; Farber, Marisa
Año : 2016-04-18
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular "Dr. Héctor N. Torres" (INGEBI)
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5986_Ibarbalz
Idioma : Inglés
Area Temática : Biología / Microbiología
Biología / Biodiversidad
Palabras claves : LODOS ACTIVADOS; TRATAMIENTO DE EFLUENTES; ENSAMBLADO DE COMUNIDADES MICROBIANAS; ARN RIBOSOMAL 16S; METAGENOMICA; ACTIVATED SLUDGE; WASTEWATER TREATMENT; MICROBIAL COMMUNITY ASSEMBLY; 16S RIBOSOMAL RNA; METAGENOMICS
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