Comparative metagenomic analysis of electrogenic microbial communities in differentially inoculated swine wastewater-fed microbial fuel cells

Bioelectrochemical systems such as microbial fuel cells (MFCs) are promising new technologies for efficient removal of organic compounds from industrial wastewaters, including that generated from swine farming. We inoculated two pairs of laboratory-scale MFCs with sludge granules from a beer wastewater-treating anaerobic digester (IGBS) or from sludge taken from the bottom of a tank receiving swine wastewater (SS). The SS-inoculated MFC outperformed the IGBS-inoculated MFC with regard to COD and VFA removal and electricity production. Using a metagenomic approach, we describe the microbial diversity of the MFC planktonic and anodic communities derived from the different inocula. Proteobacteria (mostly Deltaproteobacteria) became the predominant phylum in both MFC anodic communities with amplification of the electrogenic genus Geobacter being the most pronounced. Eight dominant and three minor species of Geobacter were found in both MFC anodic communities. The anodic communities of the SS-inoculated MFCs had a higher proportion of Clostridium and Bacteroides relative to those of the IGBS-inoculated MFCs, which were enriched with Pelobacter. The archaeal populations of the SS- and IGBS-inoculated MFCs were dominated by Methanosarcina barkeri and Methanothermobacter thermautotrophicus, respectively. Our results show a long-term influence of inoculum type on the performance and microbial community composition of swine wastewater-treating MFCs

The joint NETTAB/Integrative Bioinformatics 2015 Meeting: aims, topics and outcomes

Romano P, Hofestädt R, Lange M, D'Elia D. The joint NETTAB/Integrative Bioinformatics 2015 Meeting: aims, topics and outcomes. BMC BIOINFORMATICS. 2017;18(S5): 101.The 15th International NETTAB workshop and the 11th Integrative Bioinformatics Symposium were held together in Bari, on October 14-16, 2016, as Joint NETTAB/IB 2015 Meeting. A special topic for the meeting was "Bioinformatics for ncRNA", but the traditional topics of both meetings series were also included in the event. About 60 scientific contributions were presented, including six keynote lectures, one special guest lecture, and many oral communications and posters. A " Two-Day Hands-on Tutorial" event was organised before the workshop. Selected full papers from some of the best works presented in Bari were submitted either to the Journal of Integrative Bioinformatics or to a purpose Call for a Supplement of BMC Bioinformatics. Here, we provide an overview of meeting aims and scope. We also shortly introduce selected papers that have been either accepted for publication in this Supplement or published in the Journal of Integrative Bioinformatics, for a more complete presentation of the outcomes of the meeting

Exploring METland® technology: treating wastewater by integrating electromicrobiology into Nature-based Solutions

El agua, además de ser fuente de vida, es un factor indispensable para un desarrollo social, económico y medioambiental. Actualmente, el uso global de agua se ha multiplicado por seis en los últimos 100 años, y continúa aumentando. Lo que antes era un bien de primera necesidad accesible a la mayoría de la población, ahora ha llegado a cotizar en bolsa (Nasdaq Veles California Water Index) para poder comprar el derecho a usarlo en el futuro. Una de las medidas urgentes que se han adoptado a nivel mundial está recogida en la Agenda 2030 de las Naciones Unidas. En ella se establecen los Objetivos de Desarrollo Sostenible, entre los que se encuentra el “garantizar la disponibilidad de agua y su ordenación y saneamiento sostenible”. Es en este contexto donde las Soluciones basadas en la Naturaleza (NBS, por sus siglas en inglés) pueden aportar una alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Los humedales construidos constituyen un tipo de NBS basados en la creación de unas condiciones óptimas para el desarrollo de bacterias capaces de eliminar los contaminantes del agua. Además, cuentan con una vegetación específica que aporta soporte físico y biogeoquímico de la comunidad microbiana, lo que permite que sea un ecosistema muy resiliente. La electroquímica microbiana es una disciplina emergente que estudia la interacción entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad. Su vertiente más aplicada está representada por las Tecnologías Electroquímicas Microbianas (METs, por sus siglas en inglés). Estos sistemas aprovechan el mecanismo de transferencia extracelular (EET) que presentan las bacterias electroactivas para convertir la energía química, almacenada en los contaminantes del agua, en corriente eléctrica. Una de las METs con mayor impacto ambiental son los METland®. El término nace de la incorporación de las METs a los humedales (wetlands) construidos con el objetivo de intensificar esta tecnología; es decir, aumentar la eficiencia de tratamiento de contaminantes del agua residual por unidad de superficie. El lecho de los METland® es de material carbonoso conductor de la electricidad, lo que permite que las bacterias electroactivas, como Geobacter, lo utilicen como aceptor terminal de electrones (TEA) extracelular. Esta fuente inagotable de TEA estimula el metabolismo oxidativo de las bacterias, incrementando la oxidación de contaminantes Esta tesis ha explorado la denominada tecnología METland®, operándola siempre en condiciones de anegación, donde los procesos anaerobios cobran más importancia. Los METland® han mejorado la eficiencia en el tratamiento de las aguas residuales con respecto a los humedales construidos, pero aún es necesario determinar cómo actúan e interaccionan entre sí, cada uno de sus principales componentes: vegetación, microorganismos y material del lecho (Capítulo 2). El impacto de la vegetación en la eficiencia del tratamiento de un METland® es menor que en un humedal construido ya que, el propio material conductor actúa como TEA sustituyendo, de una forma más efectiva, al oxígeno que producen las raíces de las plantas. En este nuevo nicho ecológico, las bacterias electroactivas encontrarán una ventaja competitiva, desarrollándose en mayor medida y dando lugar a “sinergias eléctroquímicas”. Los estudios electroquímicos (Capitulo 3) de la interfase bacteria-material, permiten explicar tanto la transferencia extracelular de electrones como el mecanismo de transferencia a través del lecho conductor. Los materiales con baja resistencia eléctrica, como el coque grafitado, favorecen una transferencia continua de electrones (mecanismo tipo geoconductor). En cambio, en otros como el biochar, abundan los compuestos oxigenados que, en forma quinonas, dan lugar una transferencia discontinua (mecanismo tipo geobatería). El flujo de electrones en un METland® anegado, además de estar determinado por el material del lecho, también va a depender de la concentración y localización del TEA. Este flujo de electrones puede ser controlado gracias a un nuevo dispositivo denominado e-sink (o sumidero de electrones), inventado y patentado por el grupo de investigación de Bioe (Capítulo 4). Gracias al efecto del e-sink, las reacciones de oxidación de la materia orgánica no se verán limitadas, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del tratamiento. El escalado de esta tecnología es ya una realidad, existen METlands localizados en diferentes regiones climáticas de todo el mundo. Estos sistemas pueden tratar cientos de metros cúbicos de agua al día de diversa naturaleza, tanto urbanas como industriales. En este contexto, hemos explorado su uso en el tratamiento de aguas residuales de ganadería. Los experimentos a escala laboratorio sugieren un futuro prometedor en su aplicación para el tratamiento de purines (Capítulo 5). Asimismo, el proceso de escalado del sistema METland se ha completado en un entorno real (TRL8) como el Instituto de Nutrición Animal de la Estación Experimental del Zaidín en Granada (CSIC). Como conclusión, la tecnología METland® es una realidad en el mercado del tratamiento de las aguas residuales de pequeñas aglomeraciones urbanas, dada su alta eficiencia y versatilidad. Los METlands son una solución respetuosa con el medio ambiente que minimiza los costes de operación y mantenimiento, que permite un tratamiento efectivo de las aguas residuales en localizaciones descentralizadas. No obstante, se debe seguir investigando en este campo para entender mejor la interacción bacteria–lecho conductor, así como seguir innovando en aquellos aspectos de diseño (configuración, materiales) que permitan optimizar su eficiencia

Syntrophic acetate oxidation in the anaerobic digestion of nitrogen-rich wastes : from microbial interactions to process optimization

The anaerobic digestion (AD) consists of a cascade of syntrophic interactions between several microbial groups that result in the breakdown of biodegradable organic matter in the absence of oxygen, resulting in the production of biogas, a CH4 and CO2-rich mixture that can be valorised as renewable energy. The anaerobic digestion process has been engineered for a wide range of applications and current technology developments are aimed towards the so-called co-digestion, the treatment of complex mixtures of organic materials (e.g. slaughterhouse wastes) for an increased biogas yield. Nevertheless, the AD process might be hampered by the inhibitory effect of long chain fatty acids, ammonia and sulphate arising from the hydrolysis of proteins. The main objective of this thesis is to develop innovative techniques and methodologies to degrade protein. As described throughout the following sections, these compounds are potentially inhibitors of AD process, and consequently the production of CH4 and other value-added compounds. These wastes with high concentration of proteins emit high concentrations of NH3 when are degraded. It is reported that in this situation, the main population of methanogenic archaea are inhibited. However, the populations with the ability to carry out the hydrogenotrophic methanogenesis are active in this kind of environments. Therefore, increasing acetate oxidising bacteria populations (SAOB) is possible to achieve a syntrophy relation with some hydrogenotrophic archaea (HMA) populations, in this way is possible to avoid the inhibition caused by the NH3 concentration. Furthermore, sometimes these kind of wastes are associated with rich SO42- compounds that could be easily reduced to sulphide (H2S), molecule that is toxic, corrosive and odorous, producing several problems in the AD process and industrial facilities. The biological reaction that produced these compounds is performed by sulphate-reducing bacteria (SRB). These microbial communities, SRB, have the ability to couple the oxidation of organic matter to the reduction of SO42- outcompeting directly with methane producing archaea (MPA) and homoacetogenic bacteria for common substrates, and inhibiting the CH4 production. In order to carry out this doctoral thesis, two blocks (engineering and microbiological) have been developed that have been integrated as the work progressed. Firstly, different batch-scale studies were carried out in order to monitor the physical-chemical parameters and also the evolution of the microbial communities. In microbiology field, the main objective was to explore the evidence of acetate oxidation via syntrophic interaction between SAOB-HMA. To this end, the abundances of majorities groups were quantified using qPCR analysis based on the 16S rRNA and mcrA genes combined with isotopic compounds. Furthermore, the rapid advancement of high-throughput molecular techniques, as shotgun metagenomics sequencing and binning of scaffolds, have been allowed the implementation of genome-centric approaches that generate comprehensive databases from complex environmental samples, which includes complete or nearly-complete microbial genomes. Secondly, it was necessary that the reactors operated with the appropriate parameters to stablish this syntrophic interaction. As well as, it was also to establish protocols and different parameters concerning the configuration of the reactor based on literature and results obtained from the first set of experiments. Within this block, the hydraulic retention time (HRT), temperature ranges, organic loading rate, reactor configuration was treated. Finally, within this block, the most important point was to found the optimal reactor configuration. As it is known, the structure and the various units that make up a reactor, affect directly the efficiency and optimization of the same. Along this thesis different configurations was tested.La digestió anaeròbia (DA) consisteix en una cascada d’interaccions sintròfiques entre diferents grups de microorganismes que tenen com a principal finalitat la degradació de la matèria orgànica per obtenir biogàs, una barreja de CH4 i CO2 pot ser de gran valor en el camp de les energies renovables. El procés de la DA ha sigut dissenyat per una ampli espectre de residus, (per exemple, restes d’escorxadors) per obtenir un major rendiment de biogàs. No obstant, el procés de la DA es podria veure obstaculitzat per l’efecte inhibitori dels àcids grassos de cadena llarga, la hidròlisi de les proteïnes o els compostos sulfurats. L’objectiu principal d’aquesta tesis es desenvolupar tècniques i mètodes innovadors per la degradació de les proteïnes, principalment. Com es descriu al llarg de les pròximes secciones, aquests compostos son potencialment inhibidores del procés de la DAa, i en conseqüències, de la producció de CH4. Està descrit a la literatura que sota aquestes condicions desfavorables el principal grup de microorganismes productors de CH4 (arquees metanogèniques) es troba total o parcialment inhibit. No obstant, dins d’aquesta gran comunitat de microorganismes existeixen reductes que son capaços de mantenir la activitat metanogènica tot i trobar-se sota aquestes condicions d’inhibició, mitjançant la ruta metanogènica hidrogenotròfica. Aquesta població doncs, ha obert noves possibles vies per la obtenció de biogàs partint d’aquests productes altament inhibitoris. Una d’aquestes opcions, consisteix en incrementar aquelles poblacions que son capaces d’oxidat l’acetat per aconseguir establir una sintròfia amb les poblacions hidrogenotrofiques, evitant així, la inhibició causada per NH3. A més, en moltes ocasions aquest tipus de residus porten associats altes càrregues de compostos sulfurats, el que podria portar posteriorment a una reducció d’aquests compostos a la formació d’àcid sulfhídric (H2S). Aquesta molècula, és tòxica, corrosiva i olorosa, que a més provoca problemes dins del propi procés i és altament perjudicial per les instal·lacions. Aquesta molècula es forma principalment de manera biològica, portada a terme pels bacteris coneguts com sulfato reductors (SRB). Aquestes comunitats, SRB, tenen la capacitat d’acoblar l’oxidació de la matèria orgànica amb la reducció dels compostos sulfurats, competint directament pels substrats comuns amb els arquees hidrogenotrofics i els bacteris homoacetogenics, inhibint així la producció de CH4. Amb la finalitat de desenvolupar aquesta tesis doctoral, s’han portat a terme dos grans blocs experimentals (enginyeria i microbiologia) que a mesura que el treball avançava s’han integrat progressivament l’un amb l’altre. Dins del bloc de la microbiologia, el primer objectiu va ser l’estudi i l’anàlisi de les evidencies de la ruta sintròfica oxidadora d’acetat acoblada a la metanogenesis hidrogenotrofica, estudiant les interaccions entre aquestes dues grans comunitats. Es van quantificar mitjançant anàlisis de qPCR els dos grups majoritaris bastant-nos en els gens de referencia, 16SrRNA per bacteris i mcrA per arquees metanogèniques combinat amb un estudi de marcatge isotòpic. Complementàriament, el ràpid avenç de les tecnologies moleculars d’alt impacte com la seqüenciació shotgun i les eines bioinformàtiques, han permès desenvolupar estudis centrats en el genoma i poder generar bases de dades més accessibles i amplies relacionades amb la complexitat del microbioma ambiental. En segon lloc, un dels principals objectius del segon bloc era mitjançant els correctes paràmetres d’operació dels reactors aconseguir l’aparició i estabilitat de les sintròfies comentades anteriorment. Va ser fonamental també, establir protocols i marcar els paràmetres relacionals amb la configuració dels reactors, per aquest motiu, es va basar el disseny d’aquests digestors en els resultats obtinguts dels experiments discontinus previs. Seguint en aquesta línia, es van analitzar minuciosament paràmetres com el temps de retenció hidràulic, velocitat de càrrega orgànica, rangs de temperatura i configuració del reactor. Finalment, un dels punts crítics pel bon funcionament del projecte va ser l’elecció i disseny dels reactors. Es coneix, que el disseny i l’operació dels digestors es de vital importància per un desenvolupament òptim dels procés, per això es van provar diferents configuracions.La digestion anaerobia (DA) consiste en una cascada de interacciones sintróficas entre diferentes grupos de microganismos que tiene como principal finalidad la degradación de la materia orgánica con el fin de obtener biogás, una mezcla de CH4 y CO2 que puede ser de gran valor en el campo de las energíaas renovables. El proceso de DA ha sido diseñado para una amplia gama de aplicaciones y para obtener un mayor rendimiento de biogás. Sin embargo, el proceso de DA podría verse obstaculizado por el efecto inhibidor de los ácidos grasos de cadena larga, el amoníaco de la hidrólisis de proteínas o los compuestos sulfurados. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar técnicas y métodos innovadores para degradar las proteínas. Como se describe a lo largo de las siguientes secciones, estos compuestos son potecialmente inhibidores del proceso de DA y, en consecuencia, de la producción de CH4. Este tipo de residuo con alta carga de proteínas emite altas concentraciones de NH3 cuando éstas son degradadas. Está reportado que bajo estas condiciones desfavorables el principal grupo de microorganismos productores de CH4 (arqueas metanogénicas) se encuentra total o parcialmente inhibido. Sin embargo, dentro de esta gran comunidad de arqueas capaces de producir CH4, existen algunos reductos capaces de mantenerse activas bajo concentraciones de elevado nitrógeno amoniacal mediante la ruta de la metanogenesis hidrogenotrófica. Esta población abre nuevas posibilidades para obtención de biogás de este tipo de residuos. Una de estas opciones consiste en incrementar las poblaciones oxidadoras de acetato para lograr una relación sintrófica estable con estas poblacions hidrogenotrófcas, evitando de este la inhibición causada por NH3. Además, en muchas ocasiones este tipo de residuos con alta carga proteíca van asociados a una elevada concentración de compuestos sulfurados, lo que podría conllevar una reducción de éstos a ácido sulfhídrico (H2S). Esta molécula es tóxica, corrosiva y olorosa, que provoca varios problemas en DA y en las instalaciones asociadas. La reacción biológica que conlleva a la formación de este compuesto está mediada por el grupo de bacterias conocidas como bacterias sulfato reductoras (SRB). Estas comunidades microbianas, SRB, tienen la capacidad de acoplar la oxidación de la materia orgánica a la reducción del SO42- compitiendo directamente por los sustratos comunes con las arqueas productoras de CH4 y bacterias homoacetogénicas inhibiendo de este modo, la producción de biogás. Se han llevado a cabo dos grandes bloques (ingeniería y microbiología) que a medida que se avanzaba con el trabajo han ido integrándose. En primer lugar, se llevaron a cabo diferentes estudios en régimen discontinuo a escala laboratorio, monitorizando los parámetros físicoquimicos y la evolución de las comunidades microbianas. El primer objetivo fue el estudio y análisis de las evidencias de la ruta sintrófica oxidadora de acetato acoplada a una metanogenesis hidrogenotrófica, estudiando las interacciones entre estas dos comunidades. Para ello, se cuantificaron mediante qPCR los dos grupos mayoritarios basándonos en los genes de referencia, 16SrRNA para la monitorización de las bacterias, y mcrA en el caso de las arqueas metanogénicas combinando esta cuantificación con el marcaje de compuestos isotópicos. Además, se ha podido desarrollar estudios centrados en el estudio del genoma gracias a la secuanciación shotgun y las herramientas bionformáticas. En segundo lugar, uno de los principales era mediante los correctos parámetros de operación de los reactores conseguir la aparición y estabilidad de las sintrofías comentadas anteriormente. Fue fundamental establecer protocolos y marcar los parámetros relacionados con la configuración de los reactores, y para ello se basó el diseño de estos en los resultados obtenidos de los diferentes ensayos discontinuos previos. Siguiendo en esta línea, se analizaron meticulosamente parámetros como tiempo de retención hidráulico, velocidad de carga orgánica, rangos de temperatura y configuración del reactor. Finalmente, uno de los puntos críticos fue la elección y diseño de los reactores. Es bien sabido, que el diseño y operación del digestor es crucial para un desarrollo óptimo del proceso, por ello se probaron diferentes configuracione

A METAGENOMIC ASSESSMENT OF BACTERIAL CONTAMINATION OF DUST EVENTS IN SENEGAL

Previous work in the Caribbean and West Africa have shown that air samples taken during dust events contain microorganisms (bacteria, fungi, viruses), including human pathogens that can cause many respiratory diseases. To better understand the potential downstream effect of bacteria dust on human health and public ecosystems, it is important to characterize the source population. In this study, we aimed to explore the bacterial populations of African dust samples collected between 2013-2017. The dust samples were collected using the spatula method, then the hypervariable regions (V3 and V4) of the 16S rRNA gene were amplified using PCR followed byMiSeq Illumina sequencing. Analysis of the sequencing data were performed using MG-RAST. At the phylum level, the proportions of Actinobacteria (22%), Firmicutes (20%), Proteobacteria (19%), and Bacteroidetes (13%) were respectively predominant in all dust samples. At the genus level, Bacillus(16%), Pseudomonas(10%), Nocardiodes and Exiguobacterium (5%) are the most dominated genera in African dust samples collected in this study.The study showed that molecular characterization of dust microbial population remains a very efficient method, also applicable to the search for viruses and fungi in this type of sample. It is important to note that the majority of microorganisms identified in this study can cause respiratory diseases.</jats:p