En omfattande global studie av mikrobiota i aktivtslamanläggningar visade diversiteten var hög men att det fanns en liten global kärna med 28 OTU starkt kopplade till funktionerna i processen. Stokastiska faktorer påverkade sammansättningen av mikrobiota mest men även miljöfaktorer som temperatur, slamålder och inkommande COD-halt spelade en viktig roll.
Av: Bengt Andersson
Mikroorganismer spelar en avgörande roll i alla miljöer och det är viktigt att kunna klargöra mekanismerna för den mikrobiella diversiteten för att förstå hur ekosystemen påverkas av olika miljöfaktorer. Stora framsteg har gjorts under senare år vad gäller tekniker för mikrobiell karakterisering och kvantifiering men trots detta finns fortfarande stora brister i förståelsen för mikroorganismernas diversitet och vilka faktorer som påverkar diversiteten.
Aktivtslamprocessen är den avgjort mest använda biologiska reningsprocessen i världen. Den utgör en viktig del av infrastrukturen i det moderna urbana samhället och processen bygger på komplexa och ofullständigt definierade mikrobiella samhällen. Förståelsen för diversitet och biogeografi i kommunala aktivtslamanläggningar är i sin linda och för att kunna bidra till en ökad förståelse bildades 2014 ett globalt konsortium GWMC (Global Water Microbiome Consortium) med mer än 70 forskargrupper från 23 länder. En svensk medverkan i konsortiet fanns genom VIVAB (Vatten och Miljö i Väst AB).
Som ett första initiativ genomfördes en kampanj för att systematiskt samla in och analysera mikrobiota i aktivtslamanläggningar. Kampanjens syfte var att bidra till en mekanistisk förståelse på systemnivå av den globala diversiteten och fördelningen av mikrobiota i kommunala aktivtslamanläggningar, där olika avloppsreningsverk valdes med variationer avseende kontinent, latitud, klimatzon, skala och typ av process.
Genomförande
Provtagningen ägde rum under 2014/15 och cirka 1200 prov samlades in för mikrobiell analys från 269 anläggningar i 86 olika städer, i 23 olika länder och i 6 olika världsdelar. Ett enhetligt protokoll togs fram för provtagning, provhantering, insamling av metadata samt DNA-extraktion och -sekventiering. Identiska protokoll användes vid sekventiering och analys av 16S rRNA gener och sekvenserna jämfördes med tillgängliga referensdatabaser.
För att kunna belysa identifierade frågeställningar gjordes bestämningar av fördelningen av artrikedom (SAD, species abundance distributions, alfadiversitet), av den globala diversiteten av mikrobiota (betadiversitet), av globala kärnsamhällen, av den latitudinella diversitetsgradienten (LDG), av samband mellan avstånd och likheter i mikrobiota (DDR, Distance Decay Relationships) och av förklaring av direkta och indirekta samband mellan miljövariabler, mikrobiota och processfunktion genom SEM (Structural Equation Modelling).
Resultat
Baserat på experimentella och teoretiska analyser uppskattades att aktivtslamsystemen globalt innehöll omkring 1,1*109 olika bakteriearter med en Poisson lognormal modell, vilket endast var en tiopotens lägre än den globala bakterierikedomen i oceanerna. Endast omkring 104 arter har odlats och studerats i detalj i aktivtslamsystem, vilket innebär att 99,999 % av förekommande arter kvarstår som icke odlade. Detta belyser hur lite vi egentligen vet om mikrobiota för den mest förekommande och kontrollerade processen för biologisk avloppsvattenrening.
Trots en hög alfadiversitet för bakterierna i aktivtslamanläggningarna identifierades 28 OTU (operational taxonomic unit) som globala kärnbakteriearter, vilket utgjorde 0,05 % av alla OTU med en relativ förekomst av 12,4 % av provsekvenserna. För att räknas som en global kärnbakterie gäller att OTU tillhör de med en förekomst av mer än 0,1 % av samtliga OTU, är identifierade i mer än 80 % av proven och dominerande i mer än hälften av proven. 82 % av kärnbakterierna (22 OTU) tillhörde Proteobacteria. Andra viktiga kärnbakterier var Zoogloea, Nitrospira, Arcobacter och två PAO tillhörande Candidatus Accumulimonas och Accumulibacter.
Ingen tydlig LDG kunde noteras för mikrobiota i aktivtslamanläggningar eftersom de drivs vid relativt stabila och liknande förhållanden. Analysen visade att OTU rikedomen var störst vid mellanlatituder med en medeltemperatur av 15 oC i luften.
Betadiversiteten är viktig för ekosystemens funktion och studien visade att diversiteten var störst i Asien och lägst i Sydamerika. Multivariat variansanalys visade att den taxonomiska och fylogenetiska sammansättningen var signifikant olika mellan två kontinenter oavsett vilka. Den bakteriella sammansättningen för aktivtslam uppvisade högre likheter med den från färskvatten än från andra miljöer men det fanns en unik mikroflora som var olik floran i alla andra miljöer.
Det fanns ett starkt samband mellan bakteriesammansättningen och processfunktioner som avskiljningsgraden av BOD, COD, total-P, total-N och ammonium. Av 28 globala kärn-OTU var 27 signifikant korrelerade med åtminstone en av funktionerna och 81 % av korrelationerna var positiva. Omkring 80 % av övriga OTU var signifikant korrelerade med åtminstone en funktion och 40 % av dessa var positiva. Resultatet visade att bakteriestrukturen och särskilt kärnbakterierna i aktivtslam var kritiska för att upprätthålla processens funktioner.
För att bestämma hur bakteriefloran påverkades av stokastiska eller deterministiska faktorer beräknades de noll-modellbaserade stokastiska förhållandena med taxonomisk och fylogenetisk metrik. Resultatet antydde att stokastiska faktorer var viktigare för sammansättningen än de deterministiska. Trots detta spelade olika miljöfaktorer en stor roll för strukturen och en djupgående analys med SEM visade direkta och indirekta effekter av olika faktorer. Temperaturen påverkade strukturen av mikrobiologin i aktivtslamsystem mest och andra parametrar var slamålder och inkommande halt av organiskt material. Rikedomen av bakterier påverkades direkt av inkommande halt organiskt material.
Slutsatser
En systematisk undersökning av den globala diversiteten av bakterier i aktivtslam visade att
- diversiteten var hög och det globala innehållet i aktivtslamsystemen uppskattades till 109 olika bakteriearter av vilka endast omkring 104 hade odlats och studerats i detalj
- trots den höga diversiteten fanns en liten och viktig global kärna av mindre än 30 taxa som utgör en önskelista för framtida experimentella studier för att förstå deras genetiska, biokemiska, fysiologiska och ekologiska egenskaper
- bakteriesammansättningen påverkades mest av stokastiska faktorer men deterministiska faktorer som temperatur, slamålder och inkommande organiskt kol spelade även en viktig roll för strukturen av bakteriesammansättningen
Källa L. Wu, D. Ning, B. Zhang, m.fl. Global diversity and biogeography of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nature Microbiology. 2019, pp 1 – 13.
