Taxonomic and functional diversity of microbial communities in rapid sand filters for groundwater treatment

Grundvand er i mange lande en væsentlig kilde til drikkevand. Grundvand af høj kvalitet kræver kun en simple behandling for at producere drikkevand til forbrugerne. Ofte er hurtig sandfiltrering, efter en forudgående beluftning, en tilstrækkelig behandling, uden behov for kloring. Et hurtig sandfilter består af et lag af filtermateriale, som vandet løber igennem drevet af tyngdekraften og hvor uønskede stoffer fjernes ved fysiske, kemiske eller biologiske mekanismer. De biologiske processer udføres af mikroorganismer som koloniserer filtermaterialet. Selvom mikroorganismer er en af de vigtigste drivkræfter i fjernelsen af forureningsstoffer i sandfiltre, er de mikrobielle samfund og deres økologi er endnu ikke helt forstået. Derfor fokuserer denne PhD-afhandling på at undersøge af de mikrobielle samfund og deres interaktion i sandfiltre. Specifikt undersøgte vi mikrobiel diversitet, funktionel diversitet af ammonium-, nitrit- og jern-oxiderende mikroorganismer, rumlige heterogenitet og mineral-mikroorganisme interaktion i sandfiltre. For alle emnerne er der udviklet en sekventiel eksperimentel pipe-line som succesfuldt er anvendt til at teste centrale hypoteser.
Sandfiltrering er en teknologi, der har været anvendt længe, men alligevel er den mikrobielle diversitet i disse økosystemer dårligt beskrevet, og de økologiske mønstre som styrer de mikrobielle samfunds struktur er uafklarede. Ydermere har tidligere undersøgelser været begrænset af metodiske og prøvetagningsmæssige udfordringer. Vi undersøgte mikrobiel diversitet, karakter og økologiske mønstre i sandfiltre ved hjælp af 16S rDNA-genbaseret 454 pyro-sekventering af 96 prøver udtaget fra for- og efterfiltre på fem forskellige vandværker, samt deres ubehandlede grundvand (Publikation I). Vores resultater indikerede at sandfiltre er artsrige systemer, svarende til aktiv slam-systemer eller biogasreaktorer. Vi fandt at Nitrospirae, Proteobacteria og Acidobacteria var dominerende phyla i alle for- og efterfiltre. Vi påviste også en høj forekomst af kerne-taxa blandt de undersøgte vandværker, hvilket tyder på, at de filter-specifikke taxa udgør en mindre andel af hvert vandværks meta-samfund. Desuden udgjorde kerne-taxa en stor andel af de funktionelle grupper, der er ansvarlige for ammonium, nitrit, jern og metan oxidation, hvilket antyder den funktionelle betydning af kerne-taxa i sandfiltre.
Da formålet med filtrene er at fjerne uønskede stoffer, er de mikrobiologiske samfunds funktionalitet vigtig. Vores resultater fra pyrosekventeringen viste nogle uventede forekomster og andel af funktionelle grupper baseret på tidligere fylogeni -fysiologi data, hvilket førte os til at undersøge de mikroorganismer, der er involveret i oxidation af ammonium, nitrit og jern. Vi anvendte forskellige kombinationer af dyrkning og molekylære teknikker, inklusiv laboratorieskala kolonneforsøg, stabile isotop-teknikker, Fe(II)/O2-gradient berigelser, 454 pyrosekventering, DGGE og kloning (publikation II og III). RNA -aseret stabil isotop-teknik (SIP) viste, at de aktive ammonium-oxiderende bakterier ikke er begrænset til gruppen af Nitrosomonas. Vi foreslår, at mixotrofe eller heterotrofe grupper kan være involveret i ammonium-oxidation. Ydermere indikerede SIP-resultaterne også, at nitrit-oxidering også kan være drevet af mixotrofe eller heterotrofe grupper sammen med Nitrospira. Interessant nok indikerede yderligere SIP-resultater, at ammonium-oxiderende archaea ikke kan konkurrere med ammonium-oxiderende bakterier under fuldskala-forhold, og at Nitrospira-gruppen kan være involveret i ammonium-oxidation. På grund af de metodiske udfordringer forbundet med molekylær-baseret påvisning af jern-oxiderende mikroorganismer, anvendte vi Fe(II)/O2-gradient-teknik sammen med molekylære analyser. Vores resultater afslørede en ny niche for jern-oxiderende bakterier, som er forskellig fra aerob/anoxisk-grænseflader. Nye jern-oxiderende bakterier blev identificeret og niche-adskillelse blev påvist mellem forskellige jern-oxiderende guilds isoleret fra sandfiltre.
Proces-heterogenitet i et sandfilter er tidligere blevet dokumenteret og knyttet til den fysiske heterogenitet ved hjælp af modellering. Vi undersøgte den rumlige heterogenitet af de mikrobielle samfund i et sandfilter for at afklare, om proces-heterogenitet også kan knyttes til heterogenitet i den mikrobielle sammensætning i sandfiltre (Publikation IV). For at besvare dette spørgsmål, udviklede vi en ny metode til at undersøge for beta-diversitets signifikans, hvilket succesfuldt blev anvendt på 16S rRNA pyrosekventeringsdata. Vi fandt, at sandfiltre ikke er rumligt homogene med hensyn til sammensætning af mikrobielle samfund, og derfor skal prøvetagningskampagner være meget omhyggelige, hvis man ønsker at undersøge mikrobielle samfund eller at designe meta-analyser af sandfiltre. Biologisk heterogenitet blev også undersøgt på jern-oxiderende guild-niveau ved hjælp af DGGE profilering og PCA plots (Publikation V), hvilket bekræftede de pyrosekventeringsbaserede resultater.
Afslutningsvis undersøgte vi den mikrobielle økologi i sandfiltre med specifikt fokus på interaktion mellem mineraler og mikroorganismer (Publikation VI). Mineraler og mikroorganismer påvirker hinanden reciprokt: udfældninger påvirker den mikrobielle vækst og vice versa. Vi undersøgte effekten af omfanget af uorganiske udfældninger og aktivitet, diversitet, forekomst og kolonisering af mikrobielle samfund i sandfiltre ved hjælp af pyrosequencing, E-SEM, SEM CSLM, BET og laboratorie-skala kolonneforsøg. Den rumlige fordeling og mønstret for mikroorganismernes forekomst viste, at intern porøsitet påvirkede den mikrobielle aktivitet positivt ved at understøtte densiteten af både de funktionelle grupper og det totale antal mikroorganismer. Forekomst of rig EPS og indlejrede mikroorganismer i den interne struktur af mineraludfældninger indikerer, at mineraludfældningerne har en beskyttende og understøttende rolle for mikroorganismer i sandfiltre.
Alt i alt indikerer vores større undersøgelser, at der er et komplekst mikrobielt samfund i sandfiltre med en stærk interaktion mellem biologiske og abiotiske processer. Afhandlingens observationer og identificerede faktorer giver et afsæt for at konstruere teorier eller regler for at forstå - og ultimativt styre – mikrobielle samfund i sandfiltre for at få en mere stabil, effektiv og pålidelig fjernelse af uønskede stoffer.