DNA sekventering af bakterier i renseanlæg:

Transkript

1 DNA sekventering af bakterier i renseanlæg: spændende resultater inden for troubleshooting og driftsoptimering Mads Albertsen Marta Nierychlo & Per Halkjær Nielsen CENTER FOR MICROBIAL COMMUNITIES

2 Det er bakterierne der renser vandet Kloak system Aalborg Vest Renseanlæg

3 Bakterierne har specialiserede egenskaber

4 Bakterierne har specialiserede egenskaber Accumulibacter Funktion P-fjernelse Selektion Anaerob tank

5 Bakterierne har specialiserede egenskaber Accumulibacter Nitrospira Funktion P-fjernelse Selektion Anaerob tank Funktion N-fjernelse Selektion Aerob tank Lav COD

6 Nogle bakterier skaber problemer!

7 Nogle bakterier skaber problemer! Microthrix Håndtering Tilsæt PAX

8 Nogle bakterier skaber problemer! Microthrix Håndtering Tilsæt PAX Chloroflexi Håndtering Ukendt

9 Hvordan identificerer vi bakterierne? Dyrkning og isolering Få bakterier er nemme at dyrke Ofte ikke de rigtige der bliver dyrket Langsomt og arbejdskrævende

10 Hvordan identificerer vi bakterierne? Dyrkning og isolering Få bakterier er nemme at dyrke Ofte ikke de rigtige der bliver dyrket Langsomt og arbejdskrævende FISH (Fluorescence in situ hybridization) Specifikke genprober tilsættes til aktivt slam og bakterierne kan visualiseres og tælles vha. mikroskopi Ingen dyrkning krævet Langsomt og arbejdskrævende Man finder kun det man leder efter

11 Hvordan identificerer vi bakterierne? Dyrkning og isolering Få bakterier er nemme at dyrke Ofte ikke de rigtige der bliver dyrket Langsomt og arbejdskrævende FISH (Fluorescence in situ hybridization) Specifikke genprober tilsættes til aktivt slam og bakterierne kan visualiseres og tælles vha. mikroskopi Ingen dyrkning krævet Langsomt og arbejdskrævende Man finder kun det man leder efter DNA Sekventering (16S rrna amplicon) Ingen dyrkning krævet Ingen mikroskopi krævet Alle bakterier Hurtigt og billigt (I forhold til de andre teknikker) Nemt at gemme prøver

12 16S rrna amplicon sekventering DNA Genom Arvemateriale

13 16S rrna amplicon sekventering DNA Gen Kan kode for et enzyme der f.eks. kan nedbryde fedt. (Bakterier har gener) Genom Arvemateriale

14 16S rrna amplicon sekventering DNA Gen Kan kode for et enzyme der f.eks. kan nedbryde fedt. (Bakterier har gener) Genom Arvemateriale 16S rrna Amplicon sekventering 16S rrna Bruges som et fingeraftryk. Unikt for forskellige bakterier.

15 Resultatet af 16S rrna amplicon sekventering Liste med hvilke bakterier der er i prøven og deres hyppighed Navn % Accumulibacter Nitrospira Tetrasphaera Chloroflexi Microthrix Thiothrix Nitrotoga Streptococcus Competibacter Defluviicoccus Brachythrix Gordonia B andre

16 Den mikrobielle database for renseanlæg Siden renseanlæg (2-32 prøver) prøver Design Operationel data Mikroskopi FISH 16S rrna amplicon sequencing

17 En stor del af bakterierne er de samme! 3 grupper af bakterier Fælles bakterier Tilstede i alle anlæg Altid hyppige forskellige bakterier Udgør ca. 70% af biomassen

18 En stor del af bakterierne er de samme! 3 grupper af bakterier Fælles bakterier Tilstede i alle anlæg Altid hyppige forskellige bakterier Udgør ca. 70% af biomassen Transiente bakterier Tilstede i nogle anlæg Nogle gange hyppige bakterier Udgør 0-30 % af biomassen Fx. nogle tråde

19 En stor del af bakterierne er de samme! 3 grupper af bakterier Fælles bakterier Tilstede i alle anlæg Altid hyppige forskellige bakterier Udgør ca. 70% af biomassen Transiente bakterier Tilstede i nogle anlæg Nogle gange hyppige bakterier Udgør 0-30 % af biomassen Fx. nogle tråde Lavfrekvente bakterier Tilstede i nogle eller alle anlæg Aldrig hyppige bakterier Udgør < 10% af biomassen F.eks. bakterier fra indløbet

20 Bundfældningsproblemer på Aalborg Vest Kloak system VTU projekt: Optimering af mikrobiologien i biologiske renseanlæg og rådnetanke 1. Optimering af metoden til rådnetanke 2. Effekt af bundbeluftning i procestanke 3. Bunfældningsproblemer på Aalborg Vest Aalborg Vest Renseanlæg 4. Effekt af organisk substrat på N-fjernelse 5. Effekt af gasomrøring i rådnetanke

21 Forhøjet FSVI gennem en længere periode

22 Specielt et problem om vinteren

23 De 25 hyppigste bakterier

24 De 25 hyppigste bakterier

25 Ny Chloroflexi korrelerer med FSVI Filament

26 FSVI stiger fra 2012 til midt 2014

27 Hyppighed 0.1% til 10 % = svært at se mønstre Filament

28 Relativ pr. bakterie Filament

29 Relativ pr. bakterie + cluster Filament

30 Det er også muligt at udelukke bakterier Filament

31 Problemer skabt af forskellige bakterier

32 Problemer skabt af forskellige bakterier

33 Problemer skabt af forskellige bakterier

34 Opsummering 16S rrna amplicon sekventering Billig og hurtig (ca kr / 3 dage pr. prøve) Komplet artssammensætning Troubleshooting Hvornår begyndte mikrobiologien at ændre sig? Hvilke ændringer har en effekt på bakterierne? Design? Styring? Indløb (effekt af nye industrier)? Er det mikrobiologien der har ændret sig eller er problemet andre steder?

35 Biobank for renseanlæg (og rådnetanke) Uden historiske data er det svært at fortolke dataene! 3 x 2 ml prøver hver 14. dag Opbevares i fryser (-18 C) 1 box (15x15 cm) kan rumme prøver for 1 år!

36 Tak (Per H. Nielsen) (Mads Albertsen) (Også for rådnetanke) 50+ danske renseanlæg

37 Fremtiden Lige om lidt (0-2 år) Indikator-bakterier (Bundfældningsegenskaber, Afvanding) Forbyggende kontrollering af Microthrix (Tråd) Styring af SS om vinteren (NOB) Snart (2-4 år) Optimeret opstartsfase af renseanlæg Operationel viden om effekten af design på bakterierne Operationel viden om effekten af styring på bakterierne Fremtiden (5 år) Online måling af bakterierne på renseanlægget

38 Fremtiden Fremtiden (5 år) Online måling af bakterierne på renseanlægget

39 Fremtiden Fremtiden (5 år) Online måling af bakterierne på renseanlægget