Anaerobic ammonium oxidation in marine environments: Contribution to biogeochemical cycles and biotechnological developments for wastewater treatment

Abstract

"Los procesos microbianos gobiernan casi por completo el ciclo del nitrógeno en los océanos, ya que llevan a cabo reacciones clave que determinan los flujos de este nutriente crucial en estos ambientes. Esta Tesis de Doctorado se centra en el papel que juega la oxidación anaerobia de amonio (anammox) en los procesos biogeoquímicos marinos y subraya la importante contribución de los procesos microbianos que impulsan esta actividad en el desarrollo de sistemas de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de nitrógeno de efluentes salinos. Además del proceso convencional anammox (oxidación anaerobia de amonio con nitrito como aceptor de electrones), también se describe, en el contexto de los ciclos biogeoquímicos marinos globales, la oxidación anaerobia de amonio acoplada a la reducción microbiana de aceptores de electrones alternos, como el sulfato (sulfammox) y el hierro férrico (feammox). Además, las complejas interacciones entre los ciclos biogeoquímicos oceánicos de N, S y Fe se discuten a la luz de los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral. Los enriquecimientos de bacterias anammox se llevaron a cabo en experimentos en lote. Los cultivos fueron inoculados con sedimentos marinos recolectados de diferentes sitios provenientes del litoral mexicano. Los experimentos con aceptores de electrones alternos (procesos feammox y sulfammox) se llevaron a cabo de manera similar. Los resultados obtenidos demostraron el acoplamiento entre la anammox y la desnitrificación dependiente de sulfuro. Los balances de masa revelaron que había más oxidación (hasta el 38%) de los donadores de electrones disponibles (amonio y sulfuro) de lo esperado por la estequiometria. Se propone que la oxidación extra de sulfuro se debió al reciclaje de nitrito, a partir del nitrato producido a través de anammox, mientras que la oxidación extra de amonio, al proceso sulfammox. Los resultados obtenidos en esta Tesis demostraron, por primera vez, la prevalencia de la oxidación anaerobia de amonio con sulfato como aceptor de electrones en ambientes marinos. Los análisis llevados a cabo con amonio isotópico (15N) revelaron que este proceso microbiano produce hasta 5 µg 30N2 g-1 dia-1 en los sedimentos estudiados. Así mismo, la ocurrencia del proceso feammox en ambientes marinos representaron hasta 2 µg 30N2 producidos g-1 dia-1 . Los resultados obtenidos sugieren que estos nuevos sumideros de nitrógeno pueden contribuir significativamente a la pérdida de nitrógeno en ambientes marinos, haciendo aún más complejas las interconexiones entre los ciclos biogeoquímicos oceánicos del N, S y Fe. Hasta ahora, se han utilizado diferentes configuraciones de reactor para los enriquecimientos de bacterias anammox. Los más populares son el reactor secuencial por lotes secuenciados (SBR) y el reactor UASB (lecho anaerobio de flujo ascendente). Sin embargo, estas configuraciones de reactor dependen de las características del lodo y la granulación de la biomasa. Por lo tanto, debido a las características de los sedimentos, en este trabajo se implementó una nueva configuración de reactor. La configuración UAST (sedimento atrapado anaerobio de flujo ascendente) permitió mantener los sedimentos marinos dentro de los biorreactores gracias a la instalación de trampas a diferentes profundidades para evitar el lavado de los sedimentos. Se instalaron tres reactores (UAST) (α, β y ω suministrados con 50, 150 y 300 mg de Ca2+/L, respectivamente). Los resultados obtenidos demostraron que el reactor UAST permitió alcanzar velocidades de eliminación de nitrógeno de hasta 3.5 g N/ L-d y eficiencias de eliminación > 95%. Además, la adición de calcio fomentó la producción de biomasa, que se evidenció por el aumento en los sólidos suspendidos volátiles y las sustancias poliméricas extracelulares. El análisis profundo de la biomasa con secuenciación masiva (Illumina Miseq) demostró que, después de la operación a largo plazo, las familias dominantes detectadas fueron Rhodobacteracea, Flavobacteracea y Alteromonadacea, mientras que los principales géneros de anammox detectados en los tres reactores fueron Candidatus Kuenenia y Candidatus Anammoximicrobium. El reactor UAST se propone como una tecnología adecuada para el enriquecimiento de bacterias anammox para el tratamiento de aguas residuales industriales con alto contenido de nitrógeno."

"Microbial processes govern almost entirely the nitrogen cycle in the oceans by driving key reactions, which determine the fluxes of this crucial nutrient in these environments. This dissertation focuses on the role of anaerobic ammonium oxidation (anammox) in marine biogeochemical processes and underlines the important contribution of microbial processes driving this activity in the development of wastewater treatment systems for the removal of nitrogen from saline effluents. Besides the conventional anammox process (the anaerobic ammonium oxidation with nitrite as electron acceptor), anaerobic ammonium oxidation coupled to the microbial reduction of alternative electron acceptors, such as sulfate (sulfammox) and ferric iron (feammox), is also described in the context of global marine biogeochemical cycles. Also, the complex interactions among the oceanic biogeochemical cycles of N, S, and Fe are discussed at the light of the results obtained in this Doctoral thesis. Anammox enrichments were carried out in batch experiments, inoculated with marine sediments collected from different sites of the Mexican littoral. Similarly, experiments with alternative electron acceptors (feammox and sulfammox processes) were also carried out in batch experiments. Obtained results demonstrated the coupling between the anammox and sulfide-dependent denitrification in two distinct marine sediments. Mass balances revealed that there was more oxidation (up to 38 %) of the electron donors available (ammonium and sulfide) than that expected from stoichiometry. The extra oxidation of sulfide was proposed to be due to the recycling of nitrite, from nitrate produced through anammox, while the extra oxidation of ammonium by the sulfammox reaction. To our knowledge, the obtained results demonstrated for the first time the prevalence of anaerobic ammonium oxidation with sulfate as electron acceptor in marine environments. Tracer analysis with 15N-ammonium revealed that this microbial process, accounted for up to 5 g 30N2 produced g -1 day-1 in marine sediments. Likewise, the occurrence of the feammox process in marine environments accounted for up to 2 g 30N2 produced g -1 day-1. These results suggest that these novel nitrogen sinks may significantly fuel nitrogen loss in marine environments, making the interconnections among the oceanic biogeochemical cycles of N, S, and Fe even more complex. Until now, different reactor configurations for the enrichment of anammox bacteria have been explored. The most popular are the sequential batch reactor (SBR) and UASB (up-flow anaerobic sludge blanket) reactor. However, these reactor configurations depend on sludge characteristics and granulation of biomass. Hence, due to the sediments characteristics, in this work a novel reactor configuration was implemented. UAST configuration (up-flow anaerobic sediment trapped) allowed to maintain the marine sediments inside the bioreactors thanks to the traps installed at different depths to prevent the wash-out of sediments. Three (UAST) reactors were set up (α, β and ω supplied with 50, 150 and 300 mg Ca2+/L, respectively). Obtained results demonstrated that the UAST reactor allowed to reach nitrogen removal rates of up to 3.5 g N/L-d and removal efficiencies >95%. Besides, calcium enhanced biomass production as evidenced by increased volatile suspended solids and extracellular polymeric substances. Deep examination of biomass with massive sequentiation (Illumina Miseq) demonstrated that after the long-term operation, the dominant families detected were Rhodobacteracea, Flavobacteracea, and Alteromonadacea, while the main anammox genera detected in the three reactors were Candidatus Kuenenia and Candidatus Anammoximicrobium. The UAST reactor is proposed as suitable technology for the enrichment of anammox bacteria applicable for the treatment of saline industrial wastewaters with high nitrogen content."