Análise funcional de alta resolução e estrutura da comunidade de fotogrânulos

The ISME Journal volume 17, páginas 870–879 (2023)Cite este artigo

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Os fotogrânulos são agregados esféricos formados por ecossistemas fototróficos complexos com potencial para tratamento de águas residuais "sem aeração". Os fotogrânulos de um reator de lote de sequenciamento foram investigados por microscopia de fluorescência, sequenciamento de amplicon do gene 16S/18S rRNA, microssensores e incubações de radioisótopos e estáveis ​​para determinar a composição dos grânulos, distribuição de nutrientes e balanços de luz, carbono e nitrogênio. Os fotogrânulos foram biologicamente e quimicamente estratificados, com cianobactérias filamentosas arranjadas em camadas discretas e formando um andaime ao qual outros organismos estavam ligados. Oxigênio, nitrato e gradientes de luz também foram detectados. A atividade fotossintética e a nitrificação foram predominantemente restritas aos 500 µm externos, mas enquanto a fotossíntese foi relativamente insensível às concentrações de oxigênio e nutrientes (amônia, fosfato, acetato) testadas, a nitrificação foi altamente sensível. O oxigênio foi ciclado internamente, com oxigênio produzido através da fotossíntese rapidamente consumido pela respiração aeróbica e nitrificação. A produção e o consumo de oxigênio foram bem equilibrados. Da mesma forma, o nitrogênio foi ciclado através de nitrificação e desnitrificação pareadas, e o carbono foi trocado através da fotossíntese e respiração. Nossas descobertas destacam que os fotogrânulos são ecossistemas completos e complexos com vários ciclos de nutrientes vinculados e ajudarão nas decisões de engenharia no tratamento fotogranular de águas residuais.

Os reatores de tratamento de águas residuais selecionam continuamente características funcionais em suas comunidades microbianas. A manipulação das condições operacionais permite a seleção de características desejadas, incluindo processos de conversão para purificação de água e auto-agregação de biomassa microbiana. A auto-agregação (isto é, formando biogrânulos, agregados esféricos de microorganismos) permite a estratificação (zonas óxicas e anóxicas) e facilita a colheita de biomassa porque os agregados densos afundam rapidamente assim que a mistura do reator é interrompida. Geralmente, os biogrânulos são formados em reatores onde o tempo de residência do líquido é menor que o tempo de duplicação dos microrganismos. Isso lava as células suspensas e gera pressão seletiva para retenção de biomassa [1, 2]. Embora a biomassa agregada em biogrânulos esteja sujeita a resistências de transferência de massa que reduzem a atividade por célula, a retenção eficiente de biomassa e o consequente aumento de biomassa garantem taxas de conversão volumétrica fortemente elevadas em reatores de biogrânulos.

Biogrânulos fototróficos, chamados fotogrânulos, foram observados pela primeira vez em culturas de tapetes fotossintéticos do Mar do Norte [3]. Os grânulos eram compostos por cianobactérias filamentosas, diatomáceas e bactérias heterotróficas. A geometria esférica é rara em comunidades fototróficas, mas alguns exemplos de fotogrânulos na natureza foram relatados. Por exemplo, fotogrânulos compostos de cianobactérias e bactérias heterotróficas chamados crioconitos são encontrados em geleiras [4, 5]. "Bagas" microbianas verdes e rosa são encontradas em pântanos salgados, formadas através de uma simbiose de cianobactérias e diatomáceas, e de comunidades de bactérias sulfurosas roxas oxidantes e bactérias redutoras de enxofre, respectivamente [6, 7].

Em biofilmes fototróficos na natureza, como em fotogrânulos, gradientes de concentração de várias espécies químicas dissolvidas (por exemplo, oxigênio, substratos) são formados devido à limitação difusional. Da mesma forma, gradientes de intensidade de luz são formados por absorção e espalhamento de luz [8]. Esses gradientes de interseção criam um ambiente variado que pode suportar o crescimento simultâneo de diversos microrganismos preenchendo diferentes nichos, como fotoautotróficos, quimioautotróficos e heterótrofos, exibindo metabolismos aeróbicos e anaeróbicos [9]. Ocorrem interações complexas entre esses grupos microbianos, que podem estabilizar o funcionamento do consórcio [10]. Por exemplo, heterótrofos podem crescer em compostos orgânicos extracelulares excretados por fototróficos. Este, por sua vez, pode fixar o CO2 inorgânico produzido no crescimento heterotrófico. Os quimioautotróficos aeróbicos, como os nitrificadores, podem se beneficiar dos níveis de oxigênio aumentados pela fotossíntese enquanto competem simultaneamente com os fototróficos por carbono inorgânico e nitrogênio. Ao contrário dos biofilmes, os fotogrânulos são de vida livre, de modo que sua biomassa não se limita à área de superfície de seu recipiente. Além disso, a relação superfície/volume de uma esfera é tal que, para esferas pequenas, há capacidade para uma maior troca biomassa-água do que em um plano de mesmo volume. Essa relação se mantém enquanto o raio da esfera for menor que um terço da espessura do plano.