Unraveling the active microbial populations involved in nitrogen utilization in a vertical subsurface flow constructed wetland treating urban wastewater

Abstract

The dynamics of the active microbial populations involved in nitrogen transformation in a vertical subsurface flow constructed wetland (VF) treating urban wastewater was assessed. The wetland (1.5m) operated under average loads of 130gCODmd and 17gTNmd in Period I, and 80gCODmd and 19gTNmd in Period II. The hydraulic loading rate (HLR) was 375mmd and C/N ratio was 2 in both periods. Samples for microbial characterization were collected from the filter medium (top and bottom layers) of the wetland, water influent and effluent at the end of Periods I (Jun-Oct) and II (Nov-Jan). The combination of qPCR and high-throughput sequencing (NGS, MiSeq) assessment at DNA and RNA level of 16S rRNA genes and nitrogen-based functional genes (amoA and nosZ-clade I) revealed that nitrification was associated both with ammonia-oxidizing bacteria (AOB) (Nitrosospira) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) (Nitrososphaeraceae), and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) such as Nitrobacter. Considering the active abundance (based in amoA transcripts), the AOA population revealed to be more stable than AOB in both periods and depths of the wetland, being less affected by the organic loading rate (OLR). Although denitrifying bacteria (nosZ copies and transcripts) were actively detected in all depths, the denitrification process was low (removal of 2gTNmd for both periods) concomitant with NO-N accumulation in the effluent. Overall, AOA, AOB and denitrifying bacteria (nosZ) were observed to be more active in bottom than in top layer at lower OLR (Period II). A proper design of OLR and HLR seems to be crucial to control the activity of microbial biofilms in VF wetlands on the basis of oxygen, organic-carbon and NO-N forms, to improve their capacity for total nitrogen removal.

Pollution Removal Performance of Laboratory Simulations of Sydney’s Street Stormwater Biofilters

“…This supports the existence of nitrification-denitrification in the laboratory monophasic units, given that there is no biochemical equivalent for phosphate removal under anaerobic conditions [38,46].…”

“…Given the organic component of the fill, it was hypothesized that there would be good retention with rapid regrowth [38].…”

Comportamento diário ao longo do período de alimentação do primeiro estágio do sistema francês de wetland vertical, em termos de remoção de matéria orgânica e amônia

“…Muitos estudos relatam a baixa potencialidade de desnitrificação dos wetlands verticais [16 -17], devido à predominância de condições aeróbias nos poros, após a passagem do líquido. Contudo, recentemente, utilizando técnicas de biologia molecular em nível de RNA em outro WCV, foram identificadas bactérias desnitrificantes ativas em todo o perfil vertical do sistema, sobretudo, quando o mesmo foi operado com alta carga orgânica a desnitrificação pode ocorrer desde a primeira camada do sistema [18]. Como forma de aumentar o potencial de remoção do nitrogênio em wetland vertical, Silveira et al [19] apresentam como estratégia a utilização da camada superior livre (condições aeróbias) e uma zona parcialmente saturada na parte inferior, visando criar condições aeróbicas/anóxicas em uma única unidade.…”

Influência de parâmetros operacionais sobre as populações oxidantes de amônia e desnitrificantes em wetland construído vertical

“…De fato, as inter-relações entre as populações atuantes nas transformações do nitrogênio que ocorrem no interior de um biofilme são altamente complexas, e pouco se sabe sobre os agentes-chaves microbianos metabolicamente ativos atuantes nas diferentes etapas da transformação do nitrogênio e suas relações com o meio [5]. Deste modo, não se tem, uma clara relação entre os comportamentos microbianos envolvidos nas transformações do nitrogênio, associando-os com as condições operacionais dos WCV.…”

“…Contudo, os estudos voltados para a compreensão do comportamento de micro-organismos nitrificantes e desnitrificantes nesses módulos ainda se encontram em fase de desenvolvimento. Além disso, recentemente, descobriu-se que o processo de oxidação da amônia não se limita apenas as bactérias oxidantes de amônia (AOB) as arqueas, conhecidas como arqueas oxidantes de amônia (AOA), também desempenham esse mecanismo [4][5].De fato, as inter-relações entre as populações atuantes nas transformações do nitrogênio que ocorrem no interior de um biofilme são altamente complexas, e pouco se sabe sobre os agentes-chaves microbianos metabolicamente ativos atuantes nas diferentes etapas da transformação do nitrogênio e suas relações com o meio [5]. Deste modo, não se tem, uma clara relação entre os comportamentos microbianos envolvidos nas transformações do nitrogênio, associando-os com as condições operacionais dos WCV.…”