Single-Cell Profiling of Compositional and Functional Shifts in the Activated Sludge Microbiome during Wastewater Treatment using Flow Cytometric Fingerprinting

生物扩散 活性污泥 污水处理 废水 生物 微生物种群生物学 仿形(计算机编程) 化学 微生物群 色谱法 生态学 DNA分析 环境化学 序批式反应器 16S核糖体RNA
作者
Zhe Du,Mariah Dorner,Sebastian Behrens
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (44): 23905-23915
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c14260
摘要

Understanding the dynamics of microbial community composition, function, and corresponding assembly mechanisms is crucial for sustaining water treatment performance in activated sludge systems. In this study, various cell staining techniques were applied to flow cytometric (FCM) fingerprinting for profiling microbial community assembly patterns in a sequencing batch activated sludge system. Samples were collected every 30 min during a complete reaction cycle at a full-scale wastewater treatment plant in northern Minnesota, United States, in the spring. Staining methods include SYTO9, carboxyfluorescein diacetate (CFDA), and Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging (BONCAT). The compositional assembly results were similar for SYTO9 FCM fingerprinting and 16S rRNA gene sequence data, with both methods indicating assembly processes primarily governed by extreme homogenizing dispersal (>72.22%). BONCAT FCM fingerprinting allowed for depicting variations in microbial community activities more effectively than CFDA, revealing that extreme homogenizing dispersal dominated the static fill (100.00%) and aerobic react phases (96.30%), while dispersal limitation was the dominant process for the mixed fill phase (100.00%). During the settling phase, the two deterministic processes, extreme homogenizing dispersal (55.56%) and dispersal limitation (33.33%), dominated community assembly. Our findings demonstrate the value of FCM fingerprinting as a diagnostic tool for the instant performance monitoring of activated sludge systems.
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