Ecophysiology and dynamics of nitrogen removal bacteria in a sequencing batch reactor during wastewater treatment start‑up

Nitrogen removal communities performing wastewater treatment consist of ammonia oxidisers, nitrite oxidisers, denitrifiers, and anammox bacteria, and the proportion and activity of particular microbial groups depend not only on the physiochemical parameters of the bioreactor, but also on the composition of the inoculum. Nitrifiers and denitrifiers usually dominate in conventional wastewater treatment systems due to the fact that nitrification and denitrification are the most commonly used nitrogen removal processes. However, from the economical point of view in case of wastewater with high ammonia concentrations, anammox-based technologies are desirable for their treatment. The disadvantage of such systems is slow anammox bacteria growth, which extends an effective technological start-up. Thus, in this study, a fast start-up of the anammox process supported with an anammox-rich inoculum was performed in a sequencing batch reactor (SBR). Using anammox inoculation of SBR laboratory system, the start-up can be fastened to 85 days with 84.5% of nitrogen removal efficacy. The spatial distribution of nitrogen removal bacteria analysed with fluorescent in situ hybridisation revealed that anammox and nitrifiers are located side by side in the flocs and the relative number of ammonia and nitrite oxidisers decreased after 85 days of the experiment

Izolacja i charakterystyka mikroorganizmów zdolnych do produkcji biosurfaktantów ze środowiska glebowego

Biosurfactant production is critical not only from the standpoint of obtaining innovative and relatively cheap surface-active agents but also due to impossibility or limited biodegradation of conventional surfactants obtained by means of chemical syntheses. The main goal of the project was to isolate and characterize (macroscopically and microscopically) microorganisms capable of biosurfactant production and to evaluate the potential of these strains for biosurfactant production from the soil environment contaminated with crude oil products using the methods of conventional microbiology. The focus of the study was on isolation of pure bacteria cultures from soil contaminated with crude oil products sampled from the areas of a petrol station, macroscopic and microscopic identification of the isolated strains and testing their capability of biosurfactant production. It was demonstrated that 2 of 21 strains isolated from soil which was most likely contaminated with crude oil products showed a potential for biosurfactant production. This potential was evaluated by means of the drop collapse, oil spreading and hemolytic assay tests. The study also discussed basic characteristics of biosurfactants and their application in various domains of science and industry.Produkcja biosurfaktantów jest istotna z punktu widzenia nie tylko wytwarzania nowatorskich i względnie tanich środków powierzchniowo czynnych, ale także ze względu na brak możliwości lub bardzo ograniczoną biodegradację tradycyjnych surfaktantów wytwarzanych metodami syntez chemicznych. Głównym celem projektu było wyizolowanie oraz charakterystyka mikro- i makroskopowa mikroorganizmów zdolnych do produkcji biosurfaktantów wraz z oceną zdolności tych szczepów do produkcji biosurfaktantów ze środowiska glebowego zanieczyszczonego substancjami ropopochodnymi z użyciem metod klasycznej mikrobiologii. Zakres badań obejmował izolację czystych kultur bakteryjnych z gleby, zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi, pochodzącej z okolic stacji benzynowej, makro- i mikroskopową identyfikację wyizolowanych szczepów oraz testowanie ich zdolności do produkcji biosurfaktantów. Wykazano, że dwa spośród 21 wyizolowanych szczepów z gleby prawdopodobnie zanieczyszczonej związkami ropopochodnymi ma potencjał w produkcji biosurfaktantów. Zdolność tę oceniano z zastosowaniem testów „drop-collapse”, „oil-spreading” oraz zdolności szczepu do hemolizy. W pracy opisano również podstawowe cechy biosurfaktantów oraz ich zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i przemysłu

zalety i wady wykorzystywania techniki nested-PCR w monitoringu bakterii utleniających amoniak w osadzie czynnym bioreaktora membranowego

Nitritation, the first stage of ammonia removal process is known to be limiting for total process performance. Ammonia oxidizing bacteria (AOB) which perform this process are obligatory activated sludge habitants, a mixture consisting of Bacteria, Protozoa and Metazoa used for biological wastewater treatment. Due to this fact they are an interesting bacterial group, from both the technological and ecological point of view. AOB changeability and biodiversity analyses both in wastewater treatment plants and lab-scale reactors are performed on the basis of 16S rRNA gene sequences using PCR-DGGE (Polymerase Chain Reaction – Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) as a molecular biology tool. AOB researches are usually led with nested PCR. Because the application of nested PCR is laborious and time consuming, we have attempted to check the possibility of using only first PCR round to obtain DGGE fingerprinting of microbial communities. In this work we are comparing the nested and non-nested PCR-DGGE monitoring of an AOB community and presenting advantages and disadvantages of both methods used. The experiment revealed that PCR technique is a very sensitive tool for the amplification of even a minute amount of DNA sample. But in the case of nested-PCR, the sensitivity is higher and the template amount could be even smaller. The nested PCR-DGGE seems to be a better tool for AOB community monitoring and complexity research in activated sludge, despite shorter fragments of DNA amplification which seems to be a disadvantage in the case of bacteria identification. It is recommended that the sort of analysis approach should be chosen according to the aim of the study: nested-PCR-DGGE for community complexity analysis, while PCR-DGGE for identification of the dominant bacteria.Nitiritacja – pierwszy etap nitryfikacji, jest uznawany za krok limitujący przebieg całości procesu utleniania amoniaku. Bakterie utleniające amoniak (ang. ammonia oxidizing bacteria, AOB), które prowadzą ten proces są stałymi mieszkańcami osadu czynnego – mieszaniny bakterii, Protozoa i Metazoa, wykorzystywanych do biologicznego oczyszczania ścieków. Z tego powodu są one interesujące zarówno z punktu widzenia technologii, jak i ekologii mikroorganizmów. Analizy zmienności i bioróżnorodności bakterii utleniających amoniak, zarówno w oczyszczalni ścieków, jak i w reaktorach w skali laboratoryjnej, są prowadzone w oparciu o sekwencje genu kodującego 16S rRNA z użyciem metody biologii molekularnej, jaką jest PCR-DGGE (Polymerase Chain Reaction – Denaturing Gradient Gel Electrophoresis). Analizy te są zazwyczaj prowadzone techniką tzw. nested-PCR. Ze względu na fakt, że metoda ta wymaga większego nakładu pracy i czasu, niż tradycyjny jednoetapowy PCR (ang. non-nested PCR) podjęto próbę sprawdzenia możliwości zastosowania techniki jednoetapowego PCR do uzyskania wzorów prążkowych DGGE bakterii utleniających amoniak. W tej pracy zaprezentowano wyniki analizy PCR-DGGE z użyciem technik nested i non-nested PCR oraz podjęto próbę wykazania ich wad i zalet

Comparison of PCR-DGGE and Nested-PCR-DGGE Approach for Ammonia Oxidizers Monitoring in Membrane Bioreactors’ Activated Sludge

Nitritation, the first stage of ammonia removal process is known to be limiting for total process performance. Ammonia oxidizing bacteria (AOB) which perform this process are obligatory activated sludge habitants, a mixture consisting of Bacteria, Protozoa and Metazoa used for biological wastewater treatment. Due to this fact they are an interesting bacterial group, from both the technological and ecological point of view. AOB changeability and biodiversity analyses both in wastewater treatment plants and lab-scale reactors are performed on the basis of 16S rRNA gene sequences using PCR-DGGE (Polymerase Chain Reaction – Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) as a molecular biology tool. AOB researches are usually led with nested PCR. Because the application of nested PCR is laborious and time consuming, we have attempted to check the possibility of using only first PCR round to obtain DGGE fingerprinting of microbial communities. In this work we are comparing the nested and non-nested PCR-DGGE monitoring of an AOB community and presenting advantages and disadvantages of both methods used. The experiment revealed that PCR technique is a very sensitive tool for the amplification of even a minute amount of DNA sample. But in the case of nested-PCR, the sensitivity is higher and the template amount could be even smaller. The nested PCR-DGGE seems to be a better tool for AOB community monitoring and complexity research in activated sludge, despite shorter fragments of DNA amplification which seems to be a disadvantage in the case of bacteria identification. It is recommended that the sort of analysis approach should be chosen according to the aim of the study: nested-PCR-DGGE for community complexity analysis, while PCR-DGGE for identification of the dominant bacteria.Nitiritacja – pierwszy etap nitryfikacji, jest uznawany za krok limitujący przebieg całości procesu utleniania amoniaku. Bakterie utleniające amoniak (ang. ammonia oxidizing bacteria, AOB), które prowadzą ten proces są stałymi mieszkańcami osadu czynnego – mieszaniny bakterii, Protozoa i Metazoa, wykorzystywanych do biologicznego oczyszczania ścieków. Z tego powodu są one interesujące zarówno z punktu widzenia technologii, jak i ekologii mikroorganizmów. Analizy zmienności i bioróżnorodności bakterii utleniających amoniak, zarówno w oczyszczalni ścieków, jak i w reaktorach w skali laboratoryjnej, są prowadzone w oparciu o sekwencje genu kodującego 16S rRNA z użyciem metody biologii molekularnej, jaką jest PCR-DGGE (Polymerase Chain Reaction – Denaturing Gradient Gel Electrophoresis). Analizy te są zazwyczaj prowadzone techniką tzw. nested-PCR. Ze względu na fakt, że metoda ta wymaga większego nakładu pracy i czasu, niż tradycyjny jednoetapowy PCR (ang. non-nested PCR) podjęto próbę sprawdzenia możliwości zastosowania techniki jednoetapowego PCR do uzyskania wzorów prążkowych DGGE bakterii utleniających amoniak. W tej pracy zaprezentowano wyniki analizy PCR-DGGE z użyciem technik nested i non-nested PCR oraz podjęto próbę wykazania ich wad i zalet

Toxicity analysis of coke wastewater treated in a rotating biological contactor and a membrane bioreactor

To investigate the effectiveness of a rotating biological contactor (RBC) and a two-stage membrane bioreactor (MBR) for the treatment of coke wastewater, samples were collected three times (Batches I, II, III) from the “Jadwiga” coke plant in Zabrze, Poland at two-week intervals. The wastewater was then diluted with tap water (1:3 ratio, wastewater : tap water) and then treated at retention times of 4.1 days (RBC) and 7 days (MBR). For phytotoxicity and genotoxicity tests, the wastewater was sampled from various points in the treatment systems and further diluted to produce a range of concentrations. In the phytotoxicity tests (growth inhibition), Lemna minor and Vicia faba were used. A low concentration of wastewater (6.25%) often stimulated growth. Higher concentrations, however, inhibited L. minor growth completely. These tests indicated that the MBR generally reduced growth inhibition more effectively than the RBC. In the genotoxicity tests (chromosome aberrations and micronuclei formation) root meristem cells of V. faba were examined. The genotoxicity of the different batches varied, and neither system was particularly effective for reducing genotoxicity. The results of this study indicate that, because its composition is so variable, coke wastewater should be constantly monitored. Also, because of its potentially high genotoxicity, the ecotoxicological characteristics of coke wastewater should be monitored in addition to basic indicators of wastewater quality, such as COD, BOD, and content of nitrogen compounds

Influence of the duration of feeding phase on the genotypic structure of bacterial communities in two sequencing batch reactors treating reject water by partial nitritation and anammox

Microbial community and physiochemical processes were monitored by means of denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) in two sequencing batch reactors (SBRs) running for partial nitritation-anammox and differing in the feeding phase durations (6 h 40 min for SBR1 and 40 min for SBR2). Both SBRs were treated with reject water with a high ammonia concentration (>600 mg for over 370 days. The aim of the experiment was to present the influence of this parameter on total bacterial and anammox bacterial community structure. Molecular analysis revealed that a drastic decrease in influent ammonia concentration to the studied communities caused a change of genotypic structure in their composition. The difference in the reactors working scheme can be the reason for divergence in the community structure though having no drastic influence on its performance and biodiversity level. Feeding time has stronger influence on the genotypic composition of the total bacterial community than on anammox biocenosis

Analysis of the surface geometry of the orthodontic archwire and their influence on the bacterial adhesion

Purpose: The aim of this work is to characterize the surface geometry of the orthodontic archiwire and their influence of the pitting corrosion resistance and bacterial adhesion. Design/methodology/approach: In the paper, the results of the SEM/EDS analysis and microscopic observation of the samples surface and analysis of geometrical structure with the use Atomic Force Microscope (AFM) and Confocal Microscopy were presented as well as the pitting corrosion test and surface roughness and microhardness measurements were performed. Additionally the microbiological study after bacterial breeding with the use Scanning Electron Microscope was carried out. Findings: In the basis of the investigation, it can be concluded that the surface geometry of archwire has a significant impact on their pitting corrosion resistance in artificial saliva solution and on the bacterial adhesion. The obtained results show satisfactory properties and surface geometry of the tested orthodontic wires for use in the human oral environment. Research limitations/implications: In the future, it is planned to extend the research with physicochemical properties and the influence of oral hygiene products on the corrosive behaviour of the material. Limitations in the conducted tests refer to archwire design – a small diameter making measurements difficult. Practical implications: The oral environment is an extremely aggressive corrosive environment. The orthodontic elements should have very good corrosion resistance and biocompatibility. The focus should be on continuously improving orthodontic wires in terms of material quality and topography of its surface topography. Originality/value: The research is conducted in the field of biomedical engineering, which is part of material engineering and is used for the field of dentistry and microbiology

Toxicity analysis of coke wastewater treated in a rotating biological contactor and a membrane bioreaktor

To investigate the effectiveness of a rotating biological contactor (RBC) and a two-stage membrane bioreactor (MBR) for the treatment of coke wastewater, samples were collected three times (Batches I, II, III) from the “Jadwiga” coke plant in Zabrze, Poland at two-week intervals. The wastewater was then diluted with tap water (1:3 ratio, wastewater : tap water) and then treated at retention times of 4.1 days (RBC) and 7 days (MBR). For phytotoxicity and genotoxicity tests, the wastewater was sampled from various points in the treatment systems and further diluted to produce a range of concentrations. In the phytotoxicity tests (growth inhibition), Lemna minor and Vicia faba were used. A low concentration of wastewater (6.25%) often stimulated growth. Higher concentrations, however, inhibited L. minor growth completely. These tests indicated that the MBR generally reduced growth inhibition more effectively than the RBC. In the genotoxicity tests (chromosome aberrations and micronuclei formation) root meristem cells of V. faba were examined. The genotoxicity of the different batches varied, and neither system was particularly effective for reducing genotoxicity. The results of this study indicate that, because its composition is so variable, coke wastewater should be constantly monitored. Also, because of its potentially high genotoxicity, the ecotoxicological characteristics of coke wastewater should be monitored in addition to basic indicators of wastewater quality, such as COD, BOD, and content of nitrogen compounds

Application of PCR-DGGE to study genotypic variability of bacteria inhabiting rotating biological contactors treating synthetic coke wastewater

Ze względu na znaczny ładunek azotu amonowego, którym charakteryzują się ścieki koksownicze, dostrzeżono możliwość wykorzystania procesu beztlenowego utleniania amoniaku (Anammox) w procesie biologicznego oczyszczania tych ścieków. W czasie 8-miesięcznego eksperymentu zbadano bioróżnorodność i zmienność mikroorganizmów błony biologicznej w złożu tarczowym oczyszczającym modelowe ścieki koksownicze, ze szczególnym uwzględnieniem grupy bakterii Anammox. Wykorzystując metodę PCR-DGGE wykazano, że w biofilmie złoża tarczowego funkcjonują bakterie z grupy Anammox. Możliwe, że w trakcie trwania eksperymentu nieznany czynnik środowiskowy (prawdopodobnie nagromadzenie azotanów(III)) spowodował znaczne zubożenie biocenozy bakterii Anammox, powodując jednocześnie zmianę jakościową w strukturze całości konsorcjum bakterii. Pomimo zmian jakościowych poziom bioróżnorodności bakterii w trakcie trwania eksperymentu był względnie stały. W oparciu o uzyskane wyniki można przypuszczać, że polimerazy typu TAQ amplifikują cześć materiału DNA ze złoża tarczowego w sposób niespecyficzny, tj. nieulegający rozdziałowi w gradiencie czynnika denaturującego. Zakłada się konieczność wykorzystania innego typu polimerazy (np. proofreading) i/lub zmiany gradientu DGGE w celu rozwiązania tego problemu.High ammonia nitrogen load of coke plant wastewater provided an opportunity to use the Anammox (ANaerobic AMmonium OXidation) process for its biological treatment. Biodiversity and variability of microorganisms in rotating biological contactor (RBC) biofilm treating synthetic coke wastewater was analyzed in the eight-month experiment with the main focus on the Anammox bacteria. Using PCR-DGGE (polymerase chain reaction – denaturing gradient gel electrophoresis) it was shown that the RBC biofilm was populated by Anammox bacteria. Possibly, an unknown environmental factor (probably nitrate(III) build-up) caused significant decrease in Anammox bacteria number, leading to a qualitative change in the total bacterial community structure at the same time. However, despite qualitative changes the bacterial biodiversity level remained relatively constant during the course of the experiment. On the basis of the obtained results it may be assumed that TAQ polymerases amplify part of DNA material from the RBC in a non-specific manner and this material is not separated properly in denaturing gradient. Use of other type of polymerase (e.g. proofreading) and/or change of DGGE gradient is presumed necessary as a solution to this problem

Określenie optymalnych warunków hodowlanych dla efektywnej produkcji biomasy glonowej

Mikroglony są niewielkimi organizmami wodnymi o bardzo dużym potencjale w zakresie oczyszczania ścieków. Ma to związek z faktem, że są mało wymagające w hodowli, a do wzrostu i rozmnażania mogą z powodzeniem wykorzystywać związki biogenne zawarte w ściekach. Dodatkowo, powstająca biomasa może posłużyć jako substrat energetyczny – może zostać wykorzystana do produkcji biopaliw, takich jak biodiesel, bioetanol czy biobutanol lub jako wsad do komory fermentacji, czyli do produkcji biogazu. Ze względu na rosnące zainteresowanie pozyskiwaniem znacznych ilości biomasy glonów podjęto próbę zoptymalizowania warunków hodowlanych pozwalających na pozyskanie największej ilości surowca przetwórczego. W eksperymencie przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych serię analiz w zawiesinie, w których jako medium wzrostowe dla mikroglonów z rodzaju Chlorella wykorzystano wody z odwadniania przefermentowanych osadów ściekowych, pochodzące z Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach. Wody osadowe charakteryzują się wysokim stężeniem azotu nieorganicznego w postaci jonów amonowych, które z powodzeniem wykorzystywane są przez mikroglony do wzrostu. Dodatkowo ścieki takie, w porównaniu z surowymi ściekami komunalnymi, są relatywnie klarowne, dzięki czemu możliwe jest przenikanie światła w głąb medium hodowlanego. W przeprowadzonym eksperymencie wody osadowe w pierwszym etapie poddane zostały podczyszczaniu w reaktorze typu SBR, a następnie skierowane jako dopływ do reaktora glonowego. Celem badań było określenie wpływu podstawowych czynników środowiskowych na tempo wzrostu glonów, a tym samym na przyrost biomasy. W pierwszym teście analizowano wpływ gęstości optycznej hodowli na szybkość przyrostu biomasy. Zawiesinę glonów jednokomórkowych rozcieńczano medium wzrostowym odpowiednio w stosunku 1:5, 2:5, 3:5 oraz 4:5 w odniesieniu do hodowli kontrolnych. Uzyskane wyniki pozwoliły określić optymalną gęstość zawiesiny mikroglonów w reaktorze (odpowiadającą największym przyrostom biomasy, a tym samym wysokiemu usunięciu związków biogennych). Początkowe stężenie zawiesiny mikroglonów na poziomie 0,045–0,067 g/l odpowiadało największym przyrostom biomasy w próbach (tempo wzrostu odpowiednio 0,348 i 0,361 1/dzień). W drugiej serii testów analizowano dodatkowo wpływ takich czynników jak: stosunek N:P, dodatek węglanów jako źródła dwutlenku węgla oraz dodatkowe oświetlanie promieniowaniem aktywnym fotosyntetycznie (falą świetlną o długości w zakresie absorpcji chlorofilu a oraz b), w odniesieniu do próby kontrolnej, a także do uzyskanej wcześniej optymalnej gęstości zawiesiny mikroglonów. W eksperymencie wykazano również, że wody osadowe, charakteryzujące się wysokim ładunkiem nieorganicznych związków azotu i fosforu, a także obecnością metali ciężkich mogą być z powodzeniem wykorzystywane jako medium wzrostowe dla glonów z rodzaju Chlorella