Three-dimensional stratification of bacterial biofilm populations in a moving bed biofilm reactor for nitritation-anammox.

Moving bed biofilm reactors (MBBRs) are increasingly used for nitrogen removal with nitritation-anaerobic ammonium oxidation (anammox) processes in wastewater treatment. Carriers provide protected surfaces where ammonia oxidizing bacteria (AOB) and anammox bacteria form complex biofilms. However, the knowledge about the organization of microbial communities in MBBR biofilms is sparse. We used new cryosectioning and imaging methods for fluorescence in situ hybridization (FISH) to study the structure of biofilms retrieved from carriers in a nitritation-anammox MBBR. The dimensions of the carrier compartments and the biofilm cryosections after FISH showed good correlation, indicating little disturbance of biofilm samples by the treatment. FISH showed that Nitrosomonas europaea/eutropha-related cells dominated the AOB and Candidatus Brocadia fulgida-related cells dominated the anammox guild. New carriers were initially colonized by AOB, followed by anammox bacteria proliferating in the deeper biofilm layers, probably in anaerobic microhabitats created by AOB activity. Mature biofilms showed a pronounced three-dimensional stratification where AOB dominated closer to the biofilm-water interface, whereas anammox were dominant deeper into the carrier space and towards the walls. Our results suggest that current mathematical models may be oversimplifying these three-dimensional systems and unless the multidimensionality of these systems is considered, models may result in suboptimal design of MBBR carriers

Biofilms in Nitrogen Removal - Bacterial Population Dynamics and Spatial Distribution

Efficient nitrogen removal at wastewater treatment plants (WWTPs) is necessary to avoid eutrophication of recipient waters. The most commonly used approach consists of aerobic nitrification and subsequent anaerobic denitrification resulting in the release of dinitrogen gas into the atmosphere. Nitrification is a two-step process performed by ammoniaoxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) often grown in biofilms at WWTPs. An alternative approach is anaerobic ammonium oxidation (anammox) where anammox bacteria convert ammonium and nitrite directly into dinitrogen gas. These groups of bacteria grow very slowly and are sensitive to perturbations, which may result in decreased efficiency or even breakdown of the process. Therefore, the ecology and activity of these bacteria and the structure of the biofilms in which they grow require detailed investigation to improve the understanding of nitrification and to facilitate the design of efficient nitrogen-removal strategies. To facilitate such studies of relevance for wastewater treatment, a nitrifying pilotplant was built where environmental conditions and especially ammonium concentrations could be controlled. In an experiment on model nitrifying trickling filters (NTFs), it was shown that biofilms subjected to intermittent feeding regimes of alternating high and low ammonium concentration in the water, could maintain a higher nitrification potential than biofilms constantly fed with low ammonium water. Such ammonium feed strategies can be used to optimize wastewater treatment performance. Different AOB populations within the N. oligotropha lineage were shown to respond differently to changes in environmental conditions, indicating microdiversity within this lineage which may be of importance for wastewater treatment. This diversity was further investigated through the development of new image analysis methods for analyzing bacterial spatial distribution in biofilms. The diversity within the N. oligotropha lineage was also reflected in the positioning of two such populations in the biofilm, where the vertical distribution patterns and relative positions compared to the NOB Nitrospira were different. In combination with a cryosectioning approach for retrieval of intact biofilm from small biofilm carrier compartments, the new image analysis methods showed a threedimensonal stratification of AOB-anammox biofilms. This may be of importance for mathematical modeling of such biofilms and the design of new biofilm carriers

Biofilms in Nitrogen Removal: Population Dynamics and Spatial Distribution of Nitrifying- and Anammox Bacteria

Efficient nitrogen removal at wastewater treatment plants (WWTPs) is necessary to avoid eutrophication of recipient waters. The most commonly used approach consists of aerobic nitrification and subsequent anaerobic denitrification resulting in the release of dinitrogen gas into the atmosphere. Nitrification is a two-step process performed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) often grown in biofilms at WWTPs. Alternatively, anaerobic ammonium oxidation (anammox) where anammox bacteria convert ammonium and nitrite directly into dinitrogen gas may be utilized. These groups of recalcitrant bacteria grow very slowly and are sensitive to perturbations, which may result in decreased efficiency or even breakdown of the respective process. Thus, their ecology, activity and the structure of the biofilms in which they grow require detailed investigation to improve our understanding of the nitrification and anammox processes. This in turn will facilitate the design of more efficient nitrogen-removal strategies. To assess the population dynamics and spatial distribution of nitrifying and anammox bacteria, culture-independent methods are essential. Therefore, the application of methods such as quantitative PCR (qPCR), terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) in combination with advanced microscopy techniques and digital image analysis for the study of nitrifying and anammox biofilms will be reviewed in this chapter

Biofilms in Nitrogen Removal: Population Dynamics and Spatial Distribution of Nitrifying- and Anammox Bacteria

Efficient nitrogen removal at wastewater treatment plants (WWTPs) is necessary to avoid eutrophication of recipient waters. The most commonly used approach consists of aerobic nitrification and subsequent anaerobic denitrification resulting in the release of dinitrogen gas into the atmosphere. Nitrification is a two-step process performed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) often grown in biofilms at WWTPs. Alternatively, anaerobic ammonium oxidation (anammox) where anammox bacteria convert ammonium and nitrite directly into dinitrogen gas may be utilized. These groups of recalcitrant bacteria grow very slowly and are sensitive to perturbations, which may result in decreased efficiency or even breakdown of the respective process. Thus, their ecology, activity and the structure of the biofilms in which they grow require detailed investigation to improve our understanding of the nitrification and anammox processes. This in turn will facilitate the design of more efficient nitrogen-removal strategies. To assess the population dynamics and spatial distribution of nitrifying and anammox bacteria, culture-independent methods are essential. Therefore, the application of methods such as quantitative PCR (qPCR), terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) in combination with advanced microscopy techniques and digital image analysis for the study of nitrifying and anammox biofilms will be reviewed in this chapter

Biofilms in Nitrogen Removal: Population Dynamics and Spatial Distribution of Nitrifying- and Anammox Bacteria

Efficient nitrogen removal at wastewater treatment plants (WWTPs) is necessary to avoid eutrophication of recipient waters. The most commonly used approach consists of aerobic nitrification and subsequent anaerobic denitrification resulting in the release of dinitrogen gas into the atmosphere. Nitrification is a two-step process performed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) often grown in biofilms at WWTPs. Alternatively, anaerobic ammonium oxidation (anammox) where anammox bacteria convert ammonium and nitrite directly into dinitrogen gas may be utilized. These groups of recalcitrant bacteria grow very slowly and are sensitive to perturbations, which may result in decreased efficiency or even breakdown of the respective process. Thus, their ecology, activity and the structure of the biofilms in which they grow require detailed investigation to improve our understanding of the nitrification and anammox processes. This in turn will facilitate the design of more efficient nitrogen-removal strategies. To assess the population dynamics and spatial distribution of nitrifying and anammox bacteria, culture-independent methods are essential. Therefore, the application of methods such as quantitative PCR (qPCR), terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) in combination with advanced microscopy techniques and digital image analysis for the study of nitrifying and anammox biofilms will be reviewed in this chapter

New methods for analysis of spatial distribution and co-aggregation of microbial populations in complex biofilms.

In biofilms, microbial activities form gradients of substrates and electron acceptors, creating a complex landscape of microhabitats, often resulting in structured localization of the microbial populations present. To understand the dynamic interplay between and within these populations, quantitative measurements and statistical analysis of their localization patterns within the biofilms are necessary, and adequate automated tools for such analyses are needed. We have designed and applied new methods for fluorescence in situ hybridization (FISH) and digital image analysis of directionally dependent (anisotropic) multispecies biofilms. A sequential-FISH approach allowed multiple populations to be detected in a biofilm sample. This was combined with an automated tool for vertical-distribution analysis by generating in silico biofilm slices and the recently developed Inflate algorithm for coaggregation analysis of microbial populations in anisotropic biofilms. As a proof of principle, we show distinct stratification patterns of the ammonia oxidizers Nitrosomonas oligotropha subclusters I and II and the nitrite oxidizer Nitrospira sublineage I in three different types of wastewater biofilms, suggesting niche differentiation between the N. oligotropha subclusters, which could explain their coexistence in the same biofilms. Coaggregation analysis showed that N. oligotropha subcluster II aggregated closer to Nitrospira than did N. oligotropha subcluster I in a pilot plant nitrifying trickling filter (NTF) and a moving-bed biofilm reactor (MBBR), but not in a full-scale NTF, indicating important ecophysiological differences between these phylogenetically closely related subclusters. By using high-resolution quantitative methods applicable to any multispecies biofilm in general, the ecological interactions of these complex ecosystems can be understood in more detail

Handbok för åtgärder mot internbelastning

För att uppnå god ekologisk status avseende övergödning i svenska sjöar och kustvatten räcker det i många fall inte att enbart minska belastningen av fosfor från externa källor såsom reningsverk, enskilda avlopp, jordbruk och industrier. Detta beror på att förhöjd internbelastning från sedimenten leder till att halterna av fosfor i vattnet hålls höga. För att minska dessa halter skulle även internbelastningen behöva åtgärdas.  Åtgärder mot internbelastning är inte en ersättning för åtgärder mot näringsläckage från land till vattenmiljön, eftersom den externa näringsbelastningen måste vara nere på en tillräckligt låg nivå för att en internbelastningsåtgärd ska bli långsiktigt effektiv.  Även om en framgångsrik åtgärd mot internbelastning resulterar i att fosforhalterna temporärt minskar, kommer den externa belastningen avgöra övergödningssituationen i vattenförekomsten på lång sikt. Det kan alltså vara nödvändigt att genomföra åtgärder mot både den externa och den interna belastningen till en och samma sjö. I vilken utsträckning det förekommer förhöjd internbelastning är inte känt i detalj, men i många av de hundratals sjöar och kustvatten påverkade av övergödning kan internbelastning potentiellt utgöra ett problem. Det vore en närmast oöverstiglig uppgift att i detalj undersöka i vilka av dessa vatten åtgärder mot internbelastning skulle vara effektiva, och i så fall vilka dessa åtgärder skulle vara. Mot den bakgrunden presenterar vi i denna handbok ett beslutsstöd som tagits fram av Brian Huser, Mikael Malmaeus, Magnus Karlsson och Ernst Witter med stöd från många partners inom LIFE IP-projektet Rich Waters samt från flera deltagande länsstyrelser i ett associerat projekt finansierad av Havs och Vattenmyndigheten (HaV). Robert Almstrand, Brian Huser och Magnus Karlsson författade handbokens bilaga ”Detaljerad beskrivning av åtgärder”. Beslutsverktyget är utformat för att kunna användas av vattenmyndigheter, länsstyrelser, kommuner, vattenorganisationer och andra aktörer för att avgöra i vilka fall internbelastning bör åtgärdas och i så fall hur. Det är tänkt att i ett första steg kunna användas med utgångspunkt i de data som redan används vid bedömningen av ekologisk status av sjöar och kustvatten. Användarna ska därefter stegvis kunna gå vidare med ytterligare analyser och utredningar i de fall där detta är motiverat. Förhoppningen är att arbetet med internbelastning ska bli hanterbar och att fokus i största möjliga utsträckning ska läggas på de vatten som verkligen behöver åtgärder. Handbokens syfte är att•beskriva problembilden bakom internbelastning av fosfor•vägleda om när det kan vara lämpligt att genomföra åtgärder mot internbelastning •informera om vilka åtgärder som används i dag och deras egenskaper•informera om hur åtgärder kan finansieras

Handbok för åtgärder mot internbelastning

För att uppnå god ekologisk status avseende övergödning i svenska sjöar och kustvatten räcker det i många fall inte att enbart minska belastningen av fosfor från externa källor såsom reningsverk, enskilda avlopp, jordbruk och industrier. Detta beror på att förhöjd internbelastning från sedimenten leder till att halterna av fosfor i vattnet hålls höga. För att minska dessa halter skulle även internbelastningen behöva åtgärdas.  Åtgärder mot internbelastning är inte en ersättning för åtgärder mot näringsläckage från land till vattenmiljön, eftersom den externa näringsbelastningen måste vara nere på en tillräckligt låg nivå för att en internbelastningsåtgärd ska bli långsiktigt effektiv.  Även om en framgångsrik åtgärd mot internbelastning resulterar i att fosforhalterna temporärt minskar, kommer den externa belastningen avgöra övergödningssituationen i vattenförekomsten på lång sikt. Det kan alltså vara nödvändigt att genomföra åtgärder mot både den externa och den interna belastningen till en och samma sjö. I vilken utsträckning det förekommer förhöjd internbelastning är inte känt i detalj, men i många av de hundratals sjöar och kustvatten påverkade av övergödning kan internbelastning potentiellt utgöra ett problem. Det vore en närmast oöverstiglig uppgift att i detalj undersöka i vilka av dessa vatten åtgärder mot internbelastning skulle vara effektiva, och i så fall vilka dessa åtgärder skulle vara. Mot den bakgrunden presenterar vi i denna handbok ett beslutsstöd som tagits fram av Brian Huser, Mikael Malmaeus, Magnus Karlsson och Ernst Witter med stöd från många partners inom LIFE IP-projektet Rich Waters samt från flera deltagande länsstyrelser i ett associerat projekt finansierad av Havs och Vattenmyndigheten (HaV). Robert Almstrand, Brian Huser och Magnus Karlsson författade handbokens bilaga ”Detaljerad beskrivning av åtgärder”. Beslutsverktyget är utformat för att kunna användas av vattenmyndigheter, länsstyrelser, kommuner, vattenorganisationer och andra aktörer för att avgöra i vilka fall internbelastning bör åtgärdas och i så fall hur. Det är tänkt att i ett första steg kunna användas med utgångspunkt i de data som redan används vid bedömningen av ekologisk status av sjöar och kustvatten. Användarna ska därefter stegvis kunna gå vidare med ytterligare analyser och utredningar i de fall där detta är motiverat. Förhoppningen är att arbetet med internbelastning ska bli hanterbar och att fokus i största möjliga utsträckning ska läggas på de vatten som verkligen behöver åtgärder. Handbokens syfte är att•beskriva problembilden bakom internbelastning av fosfor•vägleda om när det kan vara lämpligt att genomföra åtgärder mot internbelastning •informera om vilka åtgärder som används i dag och deras egenskaper•informera om hur åtgärder kan finansieras

Handbok för åtgärder mot internbelastning

För att uppnå god ekologisk status avseende övergödning i svenska sjöar och kustvatten räcker det i många fall inte att enbart minska belastningen av fosfor från externa källor såsom reningsverk, enskilda avlopp, jordbruk och industrier. Detta beror på att förhöjd internbelastning från sedimenten leder till att halterna av fosfor i vattnet hålls höga. För att minska dessa halter skulle även internbelastningen behöva åtgärdas. Åtgärder mot internbelastning är inte en ersättning för åtgärder mot näringsläckage från land till vattenmiljön, eftersom den externa näringsbelastningen måste vara nere på en tillräckligt låg nivå för att en internbelastningsåtgärd ska bli långsiktigt effektiv. Även om en framgångsrik åtgärd mot internbelastning resulterar i att fosforhalterna temporärt minskar, kommer den externa belastningen avgöra övergödningssituationen i vattenförekomsten på lång sikt. Det kan alltså vara nödvändigt att genomföra åtgärder mot både den externa och den interna belastningen till en och samma sjö

Handbok för åtgärder mot internbelastning

För att uppnå god ekologisk status avseende övergödning i svenska sjöar och kustvatten räcker det i många fall inte att enbart minska belastningen av fosfor från externa källor såsom reningsverk, enskilda avlopp, jordbruk och industrier. Detta beror på att förhöjd internbelastning från sedimenten leder till att halterna av fosfor i vattnet hålls höga. För att minska dessa halter skulle även internbelastningen behöva åtgärdas. Åtgärder mot internbelastning är inte en ersättning för åtgärder mot näringsläckage från land till vattenmiljön, eftersom den externa näringsbelastningen måste vara nere på en tillräckligt låg nivå för att en internbelastningsåtgärd ska bli långsiktigt effektiv. Även om en framgångsrik åtgärd mot internbelastning resulterar i att fosforhalterna temporärt minskar, kommer den externa belastningen avgöra övergödningssituationen i vattenförekomsten på lång sikt. Det kan alltså vara nödvändigt att genomföra åtgärder mot både den externa och den interna belastningen till en och samma sjö