ESTUDIO DE LA DINÁMICA POBLACIONAL DE PROTISTAS, METAZOOS Y BACTERIAS FILAMENTOSAS Y SU INTERPRETACIÓN ECOLÓGICA EN FANGOS ACTIVOS

Nowadays, the main challenges in the wastewater treatment sector entail the need to advance in the control and optimization of the processes. New strategies and/or treatment systems are in continuous development, in order to decrease the operational costs and to compliance the energy efficiency and quality objectives of wastewater treatment plants (WWTPs). Therefore, it is increasingly necessary to deepen knowledge of the dynamic of the microbial populations in activated sludge, mainly protists, metazoans and filamentous bacteria. Many studies have attempted to relate protists and metazoans to physicochemical and operational variables of WWTPs in order to reveal their possible value as bioindicators. However, these studies have been mainly descriptive and/or exploratory, and moreover they have not focused on the environmental interpretation. Studies about the dynamics of filamentous bacteria population in activated sludge have mainly focused on the elucidation of the taxonomic position, in situ ecophysiology, presence and distribution, as well as strategies for controlling the populations. However, the published works about the biological process from the point of view of the environmental interpretation is still scarce. On the other hand, the environmental variables used to explain the variability of protists, metazoans and filamentous bacteria in activated sludge have been scarce and some of them are poorly explored. Taking into account the previous considerations, the general objective has been to elucidate the relationships between biological variables and physicochemical and operational variables in WWTPs. This has allowed to carried out an ecological interpretation of the processes that take place in the biological reactors, and to propose new tools for monitoring the process and the advance in the knowledge of those filamentous bacteria that cause problems in the treatment plants. To accomplishment the objectives, samples from activated sludge, influent and treated effluent were collected every fifteen days from six bioreactors belonging to four different WWTPs. Environmental and biological variables were independently explored according to bioreactor and seasonal factors, using multivariate non-parametric statistical routines. Subsequently, a dual approach (linear and unimodal) was applied to investigate models of environmental interpretation of biological variables, using distance-based linear models, as well as the canonical correspondence analysis. The results obtained indicate that the dynamics of protists and metazoans populations are influenced by season and bioreactor characteristics. Also, the factor that explain the dynamics of filamentous bacteria is the bioreactor factor. In this study we have proposed certain protists and metazoa as new bioindicators of the nitrification process. On the other hand, the exhaustive exploration of the environmental variables has determined the suitability of its categorization, as well as the study of the biological inertia of the operational variables, prior to the construction of the models. In addition, it is advisable that the ecological interpretation in each bioreactor will be more priority than their joint interpretation. The multivariate models constructed have provided relevant information about the relationships between protists and metazoans and some plant control variables, allowing their ecological interpretation and obtaining bioindicators for monitoring the biological process in active sludge. Finally, the results obtained on the identification and quantification of filamentous bacteria have verified that the results of the conventional microscopy are not comparable with those obtained from the FISH technique, except in the cases of Microthrix parvicella and GALO. In addition, the construction of models allows associating the filamentous bacteria to environmental ranges, obtaining valuable information to the knowledge of these dynamic populations.En la actualidad, los principales retos en el sector del tratamiento de las aguas residuales implican la necesidad de avanzar en el control y optimización de los procesos, que permitan encontrar nuevas estrategias y/o nuevos sistemas de tratamiento para el ahorro de los costes de explotación y el cumplimiento de los objetivos de eficiencia energética y calidad en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Por todo ello, cada vez es más necesario el conocimiento de la dinámica de las poblaciones microbianas que componen la comunidad biológica del sistema, principalmente los protistas, metazoos y bacterias filamentosas. Numerosos estudios han intentado relacionar protistas y metazoos con variables fisicoquímicas y operacionales de las plantas para revelar su valor bioindicador, si bien estos han tenido un carácter principalmente descriptivo y/o exploratorio, y no de interpretación ambiental. Respecto al estudio de las poblaciones de bacterias filamentosas en fangos activos, a menudo relacionadas con episodios de bulking y foaming, estos se han centrado principalmente en el esclarecimiento de su posición taxonómica y ecofisiología in situ, presencia y distribución, así como en el estudio de las medidas para su control. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriormente descritas, el objetivo general planteado en la presente tesis doctoral ha sido dilucidar las relaciones significativas entre variables biológicas y fisicoquímicas y operacionales en diversas plantas de fangos activos, lo cual nos ha permitido una interpretación ecológica de los procesos que tienen lugar en los reactores biológicos, proponiendo así nuevas herramientas para la monitorización del proceso y el avance en el conocimiento de aquellos microorganismos filamentosos que causan problemas en las instalaciones. Para el cumplimiento de los objetivos se tomaron, con una frecuencia quincenal y durante un año, muestras de fango activo, agua residual afluente y efluente tratado, procedentes de seis biorreactores de cuatro EDAR. Ambos conjuntos de variables, ambientales y biológicas, fueron explorados individualmente según los factores biorreactor y estacional, empleando rutinas estadísticas multivariantes no paramétricas. Posteriormente, se aplicó un doble enfoque (lineal y unimodal) para la búsqueda de modelos de interpretación ambiental de las variables biológicas. Los resultados obtenidos indican que la dinámica poblacional de protistas y metazoos se encuentra influida en muchos casos por ambos factores, estacional y biorreactor, siendo este último el que influye principalmente en la dinámica de las bacterias filamentosas. En el caso de protistas y metazoos, se han propuesto nuevos bioindicadores del proceso de nitrificación. Por otro lado, la exploración exhaustiva de las variables ambientales ha determinado la conveniencia de su categorización, así como el estudio de la inercia biológica de las variables operacionales, anterior a la construcción de los modelos. Además, recomendamos que la interpretación ecológica en cada uno de los biorreactores sea prioritaria a su interpretación conjunta. Los modelos construidos han aportado información relevante sobre las relaciones entre protistas y metazoos y algunas variables de control de planta, permitiendo su interpretación ecológica y la obtención de bioindicadores para la monitorización del proceso biológico en fangos activos. Por último, los resultados obtenidos sobre identificación y cuantificación de bacterias filamentosas nos han permitido constatar que los resultados de la microscopia convencional no son comparables con aquellos obtenidos a partir de la técnica FISH, excepto en los casos de Microthrix parvicella y GALO. Además, la construcción de modelos permite asociar las distintas bacterias filamentosas a diferentes rangos ambientales, obteniendo una información valiosa para el conocimiento de su dinámica poblacional.En l'actualitat, els principals reptes en el sector del tractament de les aigües residuals impliquen la necessitat d'avançar en el control i optimització dels processos, que permeten trobar noves estratègies i/o nous sistemes de tractament per a l'estalvi dels costos d'explotació i el compliment dels objectius d'eficiència energètica i qualitat en les estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR). Per tot això, cada vegada és més necessari el coneixement de la dinàmica de les poblacions microbianes que componen la comunitat biològica del sistema, principalment els protists, metazous i bacteris filamentosos. Nombrosos estudis han intentat relacionar protists i metazous amb variables fisicoquímiques i operacionals de les plantes per a revelar el seu valor bioindicador, si bé estos han tingut un caràcter principalment descriptiu i/o explorador, i no d'interpretació ambiental. Respecte a l'estudi de les poblacions de bacteris filamentosos en fangs actius, sovint relacionades amb episodis de bulking i foaming, estos s'han centrat principalment en l'esclariment de la seua posició taxonòmica i ecofisiologia in situ, presència i distribució, així com en l'estudi de les mesures per al seu control. Tenint en compte les consideracions anteriorment descrites, l'objectiu general plantejat ha sigut dilucidar les relacions significatives entre variables biològiques i fisicoquímiques i operacionals en diverses plantes de fangs actius, la qual cosa ens ha permés una interpretació ecològica dels processos que tenen lloc en els reactors biològics, proposant així noves ferramentes per a la monitorització del procés i l'avanç en el coneixement d'aquells microorganismes filamentosos que causen problemes en les instal·lacions. Per al compliment dels objectius es van prendre amb una freqüència quinzenal i durant un any, mostres de fang actiu, aigua residual afluent i efluent tractat, procedents de sis bioreactors de quatre EDAR. Ambdós conjunts de variables, ambientals i biològiques, van ser explorats individualment segons els factors bioreactor i estacional, emprant rutines estadístiques multivariants no paramètriques. Posteriorment, es va aplicar un doble enfocament (lineal i unimodal) per a la recerca de models d'interpretació ambiental de les variables biològiques, emprant models lineals basats en la distància, així com l'anàlisi de correspondències canònic. Els resultats obtinguts indiquen que la dinàmica poblacional de protists i metazous es troba influïda en molts casos per ambdós factors, estacional i bioreactor, sent aquest últim el que influïx principalment en la dinàmica dels bacteris filamentosos. En el cas de protists i metazous, s'han proposat nous bioindicadors del procés de nitrificació. D'altra banda, l'exploració exhaustiva de les variables ambientals ha determinat la conveniència de la seua categorització, així com l'estudi de la inèrcia biològica de les variables operacionals, prèvia a la construcció dels models. A més, recomanem que la interpretació ecològica en cada uns dels bioreactors siga prioritària a la seua interpretació conjunta. Els models construïts han aportat informació rellevant sobre les relacions entre protists i metazous i algunes variables de control de planta, permetent la seua interpretació ecològica i l'obtenció de bioindicadors per a la monitorització del procés biològic en fangs actius. Finalment, els resultats obtinguts sobre identificació i quantificació de bacteris filamentosos ens han permés constatar que els resultats de la microscopia convencional no són comparables amb aquells obtinguts a partir de la tècnica FISH excepte en els casos de Microthrix parvicella i Gordonia amarae like-organisms. A més, la construcció de models permet associar els distints bacteris filamentosos a diferents rangs ambientals, obtenint una informació valuosa per al coneixement de la seua dinàmica poblacional.Zornoza Zornoza, AM. (2017). ESTUDIO DE LA DINÁMICA POBLACIONAL DE PROTISTAS, METAZOOS Y BACTERIAS FILAMENTOSAS Y SU INTERPRETACIÓN ECOLÓGICA EN FANGOS ACTIVOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78839TESI

Limitations in conventional identification of filamentous morphotype Nostocoida limicola II in activated sludges

[EN] Excessive growth of filamentous bacteria causes bulking and foaming in activated sludge wastewater treatment plants (WWTP). One of the most common bacterial group responsible of these operational problems is known as Nostocoida limicola morphotype. The different ecophysiology of bacteria that represent N. limicola, especially those that are found within N. limicola II, suggests that the measures corrective to control the exccesive growth can be different. Therefore, the conventional identification might place lead to a wrong decision in the WWTP. The main aim of this study was to identify and estimate the abundance of the different species of N. limicola II in three WWTP from the Comunidad Valenciana (Spain) using the fluorescence in situ hybridization technique (FISH). The results have enabled us to determine their frequency depending on the different variables of the process control, suggesting that the identification of N. limicola II with the conventional technique would be unsuitable for further decision making in the WWTP, being the most appropriate the FISH technique.[ES] El crecimiento excesivo de bacterias filamentosas en fangos activos origina episodios de bulking y foaming en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Entre las bacterias más comunes causantes de dichos episodios se encuentran aquellas denominadas bajo el morfotipo Nostocoida limicola. La diversa ecofisiología de las bacterias que representan N. limicola, especialmente aquellas que se engloban dentro de N. limicola II, sugiere que las medidas correctoras a tomar pueden ser distintas y, por tanto, la identificación convencional llevar a una incorrecta toma de decisiones en la EDAR. Por ello, el objetivo principal de este estudio ha sido identificar y valorar la abundancia de las distintas especies de N. limicola II en tres EDAR de la Comunidad Valenciana, empleando para ello la técnica de hibridación in situ con sondas 16S/23S rDNA marcadas con fluoróforos (FISH). Los resultados han permitido determinar su frecuencia de aparición en función de las distintas variables de control del proceso, sugiriendo que la identificación de N. limicola II a través de la técnica convencional sería inadecuada para la posterior toma de decisiones en la EDAR, siendo la técnica FISH la más adecuada en estos casos.Este estudio forma parte del proyecto de investigación 'Estudio integrado del proceso de fangos activos', financiado por la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR). Los autores agradecen la colaboración de las empresas de explotación AvsaEgevasa, DAM, Facsa y OMS-Sacede.Calvo Garcia, S.; Zornoza-Zornoza, AM.; Alonso Molina, JL. (2016). Limitaciones en la identificación convencional del morfotipo filamentoso Nostocoida limicola II en fangos activos. Tecnoaqua. 18:40-49. http://hdl.handle.net/10251/98070S40491

A multivariate approach of changes in filamentous, nitrifying and protist communities and nitrogen removal efficiencies during ozone dosage in a full-scale wastewater treatment plant

[EN] The application of low ozone dosage to minimize the problems caused by filamentous foaming was evaluated in two bioreactors of an urban wastewater treatment plant. Filamentous and nitrifying bacteria, as well as protist and metazoa, were monitored throughout a one-year period by FISH and conventional microscopy to examine the effects of ozone application on these specific groups of microorganisms. Multivariate data analysis was used to determine if the ozone dosage was a key factor determining the low carbon and nitrogen removal efficiencies observed throughout the study period, as well as to evaluate its impact on the biological communities monitored. The results of this study suggested that ozonation did not significantly affect the COD removal efficiency, although it had a moderate effect on ammonia removal efficiency. Filamentous bacteria were the community most influenced by ozone (24.9% of the variance explained by ozone loading rate), whilst protist and metazoa were less affected (11.9% of the variance explained). Conversely, ozone loading rate was not a factor in determining the nitrifying bacterial community abundance and composition, although this environmental variable was correlated with ammonia removal efficiency. The results of this study suggest that different filamentous morphotypes were selectively affected by ozone. (C) 2019 Elsevier Ltd. All rights reserved.This work was supported by grant from the Entitat de Sanejament d Aigües (EPSAR). P. Barbarroja acknowledges support from MINECO grant PTA2014-09555-I.Barbarroja-Ortiz, P.; Zornoza-Zornoza, AM.; Aguado García, D.; Borrás Falomir, L.; Alonso Molina, JL. (2019). A multivariate approach of changes in filamentous, nitrifying and protist communities and nitrogen removal efficiencies during ozone dosage in a full-scale wastewater treatment plant. Environmental Pollution. 252-B:1500-1508. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.06.068S15001508252-

Conventional microscopy versus FISH: identification of filamentous Eikelboom type 021N bacteria and Thiothrix nivea group in activated sludge

[EN] Excessive growth of filamentous bacteria in activated sludge wastewater treatment plants (WWTP) causes serious operational problems. Therefore, their identification and quantification is essential in the process control. Some filamentous bacteria that belong to the class Gammaproteobacteria are very common and abundant in urban and industrial WWTP, as for example the filamentous bacteria belong to the genus Thiothrix. Due to the low specificity of conventional microscopy, occasionally may produce errors in the identification and quantification of filamentous bacteria. Therefore, the aim of this study was to compare the abundance of filamentous Eikelboom type 021N bacteria and Thiothix nivea group obtained by conventional microscopy and fluorescence in situ hybridization using 16S rRNAtargeted oligonucleotides (FISH) in samples from four WWTP. The results have established that there are significant differences when comparing the results of identification and quantification between both techniques. Besides, the FISH technique revealed differences in the population dynamics of T. nivea and T. fructosivorans to correlate both microorganisms with different environmental variables.[ES] El crecimiento excesivo de bacterias filamentosas en fangos activos origina problemas de explotación en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Por ello, su correcta identificación y cuantificación es primordial en el control del proceso de las EDAR. Algunas bacterias filamentosas que pertenecen a la clase Gammaproteobacteria son muy comunes y abundantes en las EDAR urbanas e industriales, como por ejemplo las bacterias pertenecientes al género Thiothrix. Debido a la escasa especificidad de la microscopía convencional, se pueden producir, en algunas ocasiones, errores en la identificación y cuantificación de las bacterias filamentosas. Por ello, el objetivo de este estudio fue comparar la abundancia de las bacterias pertenecientes al grupo Thiothrix nivea y tipo 021N de Eikelboom obtenida con la microscopía convencional y la técnica de hibridación in situ con sondas marcadas con fluoróforos (FISH) en muestras procedentes de cuatro EDAR. Los resultados obtenidos han permitido establecer que existen diferencias significativas al comparar los resultados de identificación y cuantificación entre ambas técnicas. Además, la técnica FISH reveló diferencias en la dinámica poblacional de T. nivea y T. fructosivorans al asociarse ambos microorganismos con diferentes variables ambientales.Este estudio forma parte del proyecto de investigación 'Estudio integrado del proceso de fangos activos', financiado por la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR). Se agradece la colaboración de las empresas de explotación AVSA-EGEVASA, DAM, FACSA y OMSSACEDE.Zornoza-Zornoza, AM.; Romera Lozano, V.; Lledías Aparici, M.; Alonso Molina, JL. (2016). Microscopía convencional vs. FISH: identificación de bacterias filamentosas tipo 021N de Eikelboom y grupo Thiothrix nivea en fangos activos. Tecnoaqua. (22):64-72. http://hdl.handle.net/10251/98069S64722

Conventional microscopy versus FISH in the identification and quantification of the morphotypes 0803, 0914 and 0092 in activated sludges

[ES] El crecimiento excesivo de bacterias filamentosas en fangos activos origina problemas de explotación en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Por ello, su identificación y cuantificación correcta es primordial en el control del proceso de las EDAR. Algunas bacterias filamentosas que pertenecen al phylum Chloroflexi son muy comunes y abundantes en las EDAR urbanas e industriales, como por ejemplo los morfotipos 0803, 0914 y 0092. Debido a la escasa especificidad de la microscopía convencional se pueden producir, en algunas ocasiones, errores en la identificación y cuantificación de bacterias filamentosas. Por ello, el objetivo de este estudio fue comparar la abundancia de los morfotipos 0803, 0092 y 0914 obtenida con la microscopía convencional y la técnica de hibridación in situ con sondas marcadas con fluoróforos (FISH) en muestras procedentes de 4 EDAR. Los resultados obtenidos han permitido establecer que existen diferencias significativas al comparar los resultados de identificación y cuantificación entre ambas técnicas. Además, la técnica FISH permitio diferenciar los morfotipos 0914 y 0803.[EN] Excessive growth of filamentous bacteria in activated sludge wastewater treatment plants (WWTP) causes serious operational problems. Therefore, their identification and quantification is essential in the process control. Some filamentous bacteria that belong to the phylum Chloroflexi are very common and abundant in urban and industrial WWTP, as for example the morphotypes 0803, 0914 and 0092. Due to the low specificity of conventional microscopy, occasionally may produce errors in the identification and quantification of filamentous bacteria. Therefore, the aim of this study was to compare the abundance of morphotypes 0803, 0092 and 0914 obtained by conventional microscopy and fluorescence in situ hybridization using 16S rRNA-targeted oligonucleotides (FISH) in samples from four WWTP. The results have established that there are significant differences when comparing the results of identification and quantification between both techniques. Besides, the FISH technique allowed differentiate the morphotypes 0914 and 0803.Este estudio forma parte del proyecto de investigación 'Estudio integrado del proceso de fangos activos', financiado por la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR). Agradecer la colaboración de las empresas de explotación AVSAEgevasa, DAM, Facsa, OMS-Sacede y del Subprograma MICINN PTA-2011.Andujar Gonzalez, AB.; Zornoza-Zornoza, AM.; Lledías Aparici, M.; Alonso Molina, JL. (2013). Microscopía convencional versus FISH en la identificación y abundancia de los morfotipos filamentosos 0803, 0914 y 0092 en fangos activos. Tecnoaqua. 4:70-79. http://hdl.handle.net/10251/98065S7079

Correlation analysis between nitrifying bacteria abundance and operational and physico-chemical parameters associated with nitrification biological process in activated sludge systems

[ES] Los estudios integrados que relacionan la abundancia de bacterias nitrificantes con las variables fisicoquímicas y operacionales en estaciones depuradoras de aguas residuales a escala real son escasos. El conocimiento de estas relaciones bajo una perspectiva integrada permite aportar valiosa información para la optimización del proceso de nitrificación. El presente estudio fue realizado en una estación depuradora de agua residual (EDAR) con sistema AO y eliminación biológica de nitrógeno mediante aireación intermitente. El objetivo principal fue establecer la asociación entre la abundancia de bacterias nitrificantes y los parámetros operacionales, fisicoquímicos y rendimientos de eliminación del nitrógeno, utilizando para ello un análisis de correlación bivariante. Los resultados obtenidos han permitido establecer una metodología adecuada para la cuantificación de bacterias nitrificantes y definir los parámetros asociados con su abundancia (como la carga másica, la DQO soluble y el tiempo de retención hidráulico) y, por tanto, de interés para la monitorización del proceso.[EN] Integrated studies relating nitrifying bacteria abundance to physicochemical and operational variables in wastewater treatment plants are scarce. The knowledge of these relationships under an integrated perspective can provide valuable information to optimize the nitrification process. The present study was carried out in a wastewater treatment plant (WWTP) with AO and biological nitrogen removal system via intermittent aeration. The aim of this study was to establish the relationships between nitrifying bacteria abundance, and operational and physico-chemical parameters, as well as nitrogen removal performance, using bivariate correlation analysis. The results obtained allowed to establish an appropriate methodology for the quantification of nitrifying bacteria and define parameters associated with its abundance, and therefore of interest for process monitoring, such as the food to microorganism (F/M) ratio, soluble COD and hydraulic retention time.Este estudio forma parte del proyecto de investigación 'Estudio integrado del proceso de fangos activos' financiado por la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR). Agradecer la colaboración de la empresa AVSA-EGEVASA y del Subprograma MICINN PTA-2011.Zornoza-Zornoza, AM.; Avendaño-Villafranca, LM.; Borrás Falomir, L.; Aguado García, D.; Alonso Molina, JL. (2014). Análisis de las correlaciones entre la abundancia de bacterias nitrificantes y los parámetros operacionales y fisicoquímicos relacionados con el proceso biológico de nitrificación en fangos activos. Tecnoaqua. 5:2-12. http://hdl.handle.net/10251/98062S212

Characterization of eukaryotic microbiome and associated bacteria communities in a drinking water treatment plant

[EN] The effectiveness of drinking water treatment is critical to achieve an optimal and safe drinking water. Disinfection is one of the most important steps to eliminate the health concern caused by the microbial population in this type of water. However, no study has evaluated the changes in its microbiome, specially the eukaryotic microbiome, and the fates of opportunistic pathogens generated by UV disinfection with medium-pressure mercury lamps in drinking water treatment plants (DWTPs). In this work, the eukaryotic community composition of a DWTP with UV disinfection was evaluated before and after a UV disinfection treatment by means of Illumina 18S rRNA amplicon-based sequencing. Among the physicochemical parameters analysed, flow and nitrate appeared to be related with the changes in the eukaryotic microbiome shape. Public health concern eukaryotic organisms such as Blastocystis, Entamoeba, Acanthamoeba, Hartmannella, Naegleria, Microsporidium or Caenorhabditis were identified. Additionally, the relation between the occurrence of some human bacterial pathogens and the presence of some eukaryotic organisms has been studied. The presence of some human bacterial pathogens such as Arcobacter, Mycobacterium, Pseudomonas and Parachlamydia were statistically correlated with the presence of some eukaryotic carriers showing the public health risk due to the bacterial pathogens they could shelter.Soler-Serena, P.; Moreno-Mesonero, L.; Zornoza-Zornoza, AM.; Macián Cervera, VJ.; Moreno Trigos, MY. (2021). Characterization of eukaryotic microbiome and associated bacteria communities in a drinking water treatment plant. Science of The Total Environment. 797:1-14. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149070S11479