DGGE-based monitoring of bacterial diversity in activated sludge dealing with wastewater contaminated by organic petroleum compounds

• Autorzy: Ziembińska A. , Ciesielski S. , Wiszniowski J.

Warianty tytułu

PL

Monitoring różnorodności bakteryjnej w osadzie czynnym oczyszczającym ścieki zanieczyszczone organicznymi związkami ropopochodnymi z użyciem DGGE

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) belong to the group of recalcitrants that on reaching wastewater can irreversibly inhibit some sensitive biological processes in activated sludge such as nitrification. This situation leads to wastewater treatment failure due to the influence of these substances on bacteria responsible for important biochemical processes. Observation of the changes in bacterial diversity using molecular tools, such as denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), could be the first step in finding a way of preventing wastewater treatment failure. The aim of this experiment was to monitor bacterial biodiversity in a membrane bioreactor (MBR) dealing with synthetic wastewater contaminated with high concentration of petroleum organic compounds (POCs) and to study the influence of POCs contamination on bacterial changeability in activated sludge. COD removal in investigated membrane bioreactors was at a level of 93%. The organics removal efficiency was not affected by the maximal tested dose of petroleum contamination (1000 μl POCs/l of wastewater) and the MBRs wastewater treatment performance was undisturbed. DGGE analysis revealed that the biodiversity fluctuated slightly in control MBR, while in experimental MBR the biodiversity index decreased drastically after adding the highest experimental concentration of POCs. These results suggest that concentrations of POCs at levels from 50 μl/l to 500 μl/l stimulate biodiversity growth, while the concentration 1000 μl POCs/l of wastewater seems to inhibit the most sensitive processes in wastewater treatment by influencing the bacterial biocenosis.

PL

Substancje ropopochodne należą do grupy zanieczyszczeń, które, docierając do oczyszczalni ścieków, mogą zaburzać wrażliwe procesy biochemiczne, takie jak nitryfikacja. Taka sytuacja prowadzi do problemów z oczyszczaniem ścieków, ponieważ substancje te mogą wpływać na bakterie odpowiedzialne za podstawowe procesy biochemiczne. Obserwacja zmian różnorodności bakteryjnej w osadzie czynnym za pomocą narzędzi biologii molekularnej, takich jak elektroforeza w gradiencie denaturacji (DGGE), może być pierwszym krokiem w opracowaniu metody zapobiegania zaburzeniom procesu oczyszczania. Celem tej pracy był monitoring różnorodności bakteryjnej w osadzie czynnym bioreaktora membranowego usuwającego ścieki zanieczyszczone związkami ropopochodnymi i określenie wpływu tych związków na zmienność bakteryjną badanej biocenozy. Usunięcie związków organicznych wyrażonych wskaźnikiem zanieczyszczeń ChZT zarówno w kontrolnym, jak i eksperymentalnym bioreaktorze membranowym, wynosiło powyżej 93%. Najwyższe zastosowane stężenie związku zanieczyszczającego (frakcja P-30, próżniowy destylat ropy naftowej) wynosiło 1000 μl/l ścieków i nie miało wpływu na efektywność oczyszczania ścieków. Analiza wzorów prążkowych DGGE wykazała, że bioróżnorodność bakteryjna w bioreaktorze kontrolnym zmieniała się nieznacznie w trakcie trwania eksperymentu, podczas gdy w bioreaktorze eksperymentalnym spadła drastycznie po dodaniu dawki zanieczyszczającej o najwyższym stężeniu. Wyniki te sugerują, że stężenia modelowych związków ropopochodnych w zakresie 50 μl/l to 500 μl/l stymulują wzrost bioróżnorodności, podczas gdy zastosowanie zanieczyszczenia w stężeniu 1000 μl/l ścieków prawdopodobnie hamuje najbardziej wrażliwe procesy oczyszczania ścieków poprzez wpływ na biocenozę bakteryjną.

Słowa kluczowe

EN

bacterial diversity; Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE); DGGE; membrane bioreactor (MBR); MBR; petroleum organic compounds (POCs); POCs; 16S rRNA gene

PL

DGGE; różnorodność bakteryjna; osad czynny; bioreaktor membranowy; ścieki; zanieczyszczenia ropopochodne; oczyszczanie ścieków

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 36, no. 4
• Strony: 119--125
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Ziembińska A.

autor

Ciesielski S.

autor

Wiszniowski J.

• The Silesian University of Technology, Environmental Biotechnology Department, Akademicka str. 2, 44-100, Gliwice, Poland,

Bibliografia

• [1] Bertilsson S., A. Widenfalk: Photochemical degradation of PAHs in freshwaters and their impact on bacterial growth-influence of water chemistry, Hydrobiologia, 469, 23-32 (2002).
• [2] Chong C. W., A. G. Y. Tan, R. C. S. Wong, M. J. Riddle, I. K. P. Tan: DGGE fingerprinting of bacteria in soils from eight ecologically different sites around Casey Station, Antarctica, Polar Biology, 32, 853-860 (2009).
• [3] Comte, S., G. Guibaud, M. Baudu: Biosorption properties of extracellular polymeric substances (EPS) resulting from activated sludge according to their type: soluble or bound, Process Biochemistry, 41, 815-823 (2006).
• [4] Galil, N., C. Sheindorf, N. Stahl, A. Tenenbaum, A. Y. Levinsky: Membrane bioreactors for final treatment of wastewater, Water Science and Technology, 48/8, 103-110 (2003).
• [5] Harrison, E.Z., S. R. Oakes, M. Hysell, A. Hay: Organic chemicals in sewage sludges, The Science of the Total Environment, 367, 481-497 (2006).
• [6] Johnsen A., L. Y. Wick, H. Harms: Principles of microbial PAH-degradation in soil, Environmental Pollution, 133, 71-84 (2005).
• [7] Klejnowski K., B. Kozielska, A. Krasa, W. Rogula-Kozłowska: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in PM1, PM2.5, PM10 and TSP in the Upper Silesian Agglomeration, Poland, Archives of Environmental Protection, 36/2, 65-73 (2010).
• [8] Lerner M., N. Stahl, N. I. Galil: Comparative study of MBR and activated sludge in the treatment of paper mill wastewater, Water Science and Technology, 55/6, 23-29 (2007).
• [9] Ludwig W., K.-H. Schleifer: Phylogeny of bacteria beyond the 16S rRNA standard, ASM News, 65, 752-757 (1999).
• [10] Miksch K., J. Sikora, J. Surmacz-Górska: Kilka faktów i mitów o nitryfikacji, Forum Exploatatora, 3/48, 112-116 (2010).
• [11] Muyzer G.: Genetic fingerprinting of microbiota communities-present status and future perspective, [in:] Methods of Microbial Community Analysis, Microbial Biosystems: New Frontiers, Proceedings of the 8th International Symposium on Microbial Ecology, Bell C.R., M. Brylinsky, P. Johnson-Green (ed.), Atlantic Canada Society for Microbial Ecology, Halifax, Canada (1999).
• [12] Muyzer G., E. C. De Waal, A. G. Uitierlnden: Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA, Applied and Environmental Microbiology, 59, 695-700 (1993).
• [13] Opelt K., Ch. Berg, S. Schönmann, L. Eberl, G. Berg: High specificity but contrasting biodiversity of Sphagnum-associated bacterial and plant communities in bog ecosystems independent of the geographical region, The ISME Journal, 1, 502-516 (2007)
• [14] Świetlik R., D. Kowalczyk, J. Dojlido: Influence of selected physicochemical factors on the degradation of PAHs in water, Polish Journal of Environmental Studies, 11/2, 165-169 (2002).
• [15] Wiszniowski J., A. Ziembińska, S. Ciesielski: Membrane biological reactor (MBR) for treatment of wastewater contaminated by petroleum organic compounds, [in:] Proceedings of a Polish-Swedish-Ukrainian seminar, E. Plaza, E. Levlin (ed.), Stockholm, Sweden, September 23-25, Report no. 19 (2009). http://www.lwr.kth.se/forskningsprojekt/Polishproject/SUP/index.htm.
• [16] Wu L., Y. Yu, T. Zhang, W. Feng, X. Xiang Zhang, W. Li: PCR-DGGE fingerprinting analysis of plankton communities and its relationship to lake trophic status, International Reviews of Hydrobiology, 94/5, 528-541 (2009).
• [17] Zheng X.-J., J.-F. Blais, G. Mercier, M. Bergeron, P. Drogui: PAH removal from spiked municipal wastewater sewage sludge using biological, chemical and electrochemical treatments, Chemosphere, 68, 1143-1152 (2007).
• [18] Ziembińska A., S. Ciesielski, K. Miksch: Ammonia oxidizing bacteria community in activated sludge monitored by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), Journal of General and Applied Microbiology, 55, 373-380 (2009).