Ecología y genómica de poblaciones microbianas en procesos de biometanogénesis a partir del análisis de metagenomas

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La degradación de materia orgánica por lodos activados es la tecnología más utilizada para el tratamiento de efluentes municipales e industriales en todo el mundo. No obstante, para lograr una depuración eficiente el proceso requiere grandes cantidades de energía, utilizada principalmente para la ox...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Orellana, Esteban
Otros Autores:	Erijman, Leonardo
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2022
Materias:	DIGESTION ANAEROBICA RESIDUO DE ALIMENTO LODOS ACTIVADOS METAGENOMICA PLANTAS DE TRATAMIENTO MUNICIPAL ECONOMIA CIRCULAR ANAEROBIC DIGESTION FOOD WASTE SEWAGE METAGENOMICS WASTEWATER TREATMENT PLANT CIRCULAR ECONOMY
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description	La degradación de materia orgánica por lodos activados es la tecnología más utilizada para el tratamiento de efluentes municipales e industriales en todo el mundo. No obstante, para lograr una depuración eficiente el proceso requiere grandes cantidades de energía, utilizada principalmente para la oxidación de la materia orgánica por microorganismos aeróbicos. Parte de la energía utilizada puede ser suministrada por el biogás obtenido por la digestión anaeróbica de los lodos excedentes producidos durante el tratamiento aeróbico. Sin embargo, la digestibilidad en estos lodos es baja, por lo que la generación de electricidad a partir del biogás no es suficiente para suplir los requerimientos de una planta de tratamiento. La adición de residuo de alimentos (RA) como co-sustrato en digestores anaeróbicos de plantas de tratamiento de efluentes es una estrategia que tiene el potencial de convertir las plantas de tratamiento en autosuficientes en el consumo de energía y al mismo tiempo provee un método ambientalmente sustentable de valorización de los residuos orgánicos. Dado que el tipo de sustrato determina la estructura de la comunidad microbiana en los digestores, es crítico entender cómo estas comunidades responden a un cambio en la composición y concentración de sustrato. El objetivo de este trabajo consiste en entender los mecanismos de adaptación de las comunidades microbianas en digestores anaeróbicos que tratan barros excedentes de plantas de tratamiento de efluentes en co-digestión con residuos de alimentos. Se estudió la comunidad microbiana en cuatro reactores a escala de laboratorio inoculados con sólidos provenientes de un digestor anaeróbico de una planta de tratamiento municipal (Depuradora Norte AYSA, San Fernando, Buenos Aires), y alimentados diariamente con lodos mixtos (LM) y como co-sustrato se utilizaron cantidades crecientes de RA. El LM consistió en una mezcla de lodo primario y secundario extraída de la misma planta de tratamiento de la cual provenía el inóculo. El RA consistió en una mezcla de productos de origen vegetal (68,4 %) y animal (17,3 %) junto con restos de productos de panificadoras (14,3 %). Se tomaron muestras durante el periodo de funcionamiento de los reactores, se realizaron extracciones de ADN y su posterior secuenciación masiva al azar. Se ensamblaron los metagenomas y se reconstruyeron 196 genomas a partir de metagenomas (MAG, por su acrónimo en inglés) con una completitud mayor al 50 % y una contaminación menor al 5 %. Independientemente, se reconstruyeron 539 genes de RNA ribosomal 16S con una longitud mayor a 800 pares de bases (pb). Utilizando análisis de redes, se correlacionó la concentración de RA con la abundancia de los MAGs hidrolíticos y enzimas extracelulares involucradas en la degradación de carbohidratos complejos, que se encuentran comúnmente en la pared celular de plantas. Se resaltó la importancia de uno de los MAGs (Proteiniphillum) por ser la única bacteria que codifica la vía completa de degradación de la pectina. Estos resultados sugieren que los cambios en la composición de la materia prima establecen nuevos nichos microbianos para las bacterias con la capacidad de degradar los nuevos sustratos. De este modo, el trabajo presentado en esta tesis demuestra cómo el cambio de sustrato en los reactores anaeróbicos a escala de laboratorio provoca una alteración en la abundancia y composición de los microorganismos manteniendo estable la función del sistema.
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La adición de residuo de alimentos (RA) como co-sustrato en digestores anaeróbicos de plantas de tratamiento de efluentes es una estrategia que tiene el potencial de convertir las plantas de tratamiento en autosuficientes en el consumo de energía y al mismo tiempo provee un método ambientalmente sustentable de valorización de los residuos orgánicos. Dado que el tipo de sustrato determina la estructura de la comunidad microbiana en los digestores, es crítico entender cómo estas comunidades responden a un cambio en la composición y concentración de sustrato. El objetivo de este trabajo consiste en entender los mecanismos de adaptación de las comunidades microbianas en digestores anaeróbicos que tratan barros excedentes de plantas de tratamiento de efluentes en co-digestión con residuos de alimentos. Se estudió la comunidad microbiana en cuatro reactores a escala de laboratorio inoculados con sólidos provenientes de un digestor anaeróbico de una planta de tratamiento municipal (Depuradora Norte AYSA, San Fernando, Buenos Aires), y alimentados diariamente con lodos mixtos (LM) y como co-sustrato se utilizaron cantidades crecientes de RA. El LM consistió en una mezcla de lodo primario y secundario extraída de la misma planta de tratamiento de la cual provenía el inóculo. El RA consistió en una mezcla de productos de origen vegetal (68,4 %) y animal (17,3 %) junto con restos de productos de panificadoras (14,3 %). Se tomaron muestras durante el periodo de funcionamiento de los reactores, se realizaron extracciones de ADN y su posterior secuenciación masiva al azar. Se ensamblaron los metagenomas y se reconstruyeron 196 genomas a partir de metagenomas (MAG, por su acrónimo en inglés) con una completitud mayor al 50 % y una contaminación menor al 5 %. Independientemente, se reconstruyeron 539 genes de RNA ribosomal 16S con una longitud mayor a 800 pares de bases (pb). Utilizando análisis de redes, se correlacionó la concentración de RA con la abundancia de los MAGs hidrolíticos y enzimas extracelulares involucradas en la degradación de carbohidratos complejos, que se encuentran comúnmente en la pared celular de plantas. Se resaltó la importancia de uno de los MAGs (Proteiniphillum) por ser la única bacteria que codifica la vía completa de degradación de la pectina. Estos resultados sugieren que los cambios en la composición de la materia prima establecen nuevos nichos microbianos para las bacterias con la capacidad de degradar los nuevos sustratos. De este modo, el trabajo presentado en esta tesis demuestra cómo el cambio de sustrato en los reactores anaeróbicos a escala de laboratorio provoca una alteración en la abundancia y composición de los microorganismos manteniendo estable la función del sistema. The degradation of organic matter by activated sludge is the most used technology for the treatment of municipal and industrial effluents around the world. However, to achieve efficient purification the process requires large amounts of energy, used mainly for the oxidation of organic matter. Part of the energy used can be supplied by the biogas obtained by the anaerobic digestion of the excess sludge produced in the aerobic treatment. However, the digestibility of the sludge is low, getting not enough electricity from the biogas in order to meet the requirements of a treatment plant. The addition of food waste (FW) as a co-substrate in anaerobic digesters of effluent treatment plants is a strategy that has the potential to make treatment plants self-sufficient in energy consumption and at the same time provides an environmentally sustainable method to recover organic waste. Since the type of substrate determines the phylogenetic structure of the microbial community in digesters, it is important to understand how these communities respond to a change in substrate composition and concentration. The objective of this work is to understand the adaptation mechanisms of microbial communities in anaerobic digesters that handle excess sludge from wastewater treatment plants (WWTP) in co-digestion with food waste. The microbial community was studied in 4 laboratory-scale reactors inoculated with solids from an anaerobic digester of a municipal WWTP (Planta Norte AYSA, San Fernando, Buenos Aires), and fed daily with sewage sludge (SS) and as co-substrate increasing amounts of FW were used. The SS consisted of a mixture of primary and secondary sludge extracted from the same WWTP from which the inoculum was used. The FW that was used consisted of a mixture between vegetable products (68.4%) and animal origin (17.3%) together with remains of bakery products (14.3%), prepared in the laboratory. Samples were taken throughout the operation of the reactors, DNA extraction and subsequent massive random sequencing were carried out. With the data obtained, the microbial community was studied at the taxonomic level using ribosomal sequences and metagenomes were assembled. Thanks to the difference in coverage, 196 metagenome assembled genomes (MAGs) were reconstructed with a completeness greater than 50% and a contamination less than 5%. Besides, 539 16S ribosomal RNA genes with a length greater than 800 base pairs (bp) were reconstructed. Using network analysis, the concentration of FW was correlated with the abundance of hydrolytic MAGs and extracellular enzymes involved in the degradation of complex carbohydrates, which are commonly found in the cell wall of fruits and plants. The importance of one of the MAGs (Proteiniphillum) was highlighted, as it is the only bacterium that encodes the complete pectin degradation pathway. These results suggest that changes in the composition of the raw material establish new microbial niches for bacteria with the ability to degrade new substrates. In this way, the work presented in this thesis demonstrates how the change of substrate in anaerobic reactors on a laboratory scale causes an alteration in the abundance and composition of microorganisms, keeping the function of the system stable. Fil: Orellana, Esteban. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7047_Orellana spa Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar DIGESTION ANAEROBICA RESIDUO DE ALIMENTO LODOS ACTIVADOS METAGENOMICA PLANTAS DE TRATAMIENTO MUNICIPAL ECONOMIA CIRCULAR ANAEROBIC DIGESTION FOOD WASTE SEWAGE METAGENOMICS WASTEWATER TREATMENT PLANT CIRCULAR ECONOMY Ecología y genómica de poblaciones microbianas en procesos de biometanogénesis a partir del análisis de metagenomas Ecology and genomics of microbial populations in bio-metanogenesis processes from the analysis of metagenomes info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion https://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n7047_Orellana_oai

Ecología y genómica de poblaciones microbianas en procesos de biometanogénesis a partir del análisis de metagenomas

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