To investigate the effects of elevated $CO_2$ on the denitrifying bacterial community structure in a wetland soil, dynamics of bacterial community structure was explored in an artificial wetland ecosystem with one of three plant species (T. latifolia, S. lacustris, and 1. effusus) under two levels of $CO_2$(370 ppm or 740 ppm) after 110day incubation. For the analysis of bacterial community structure, functional genes such as nitrite reductase genes (nirS) were PCR-amplified followed by cloning of PCR products and screening by restriction fragment length polymorphism (RFLP). nirS gene fragments were amplified in all analyzed soil samples. Species richness estimated by the number of distinct phylotypes were 83 and 95 in the ambient $CO_2$ treatment and the elevated treatment, respectively. Two phylotypes (type 1 and type 2) were dominant in both of the treatments. Elevated $CO_2$ treatment increased species richness of denitrifying as well as changed a large proportion of denitrifier phylotypes compared to those of the ambient treatment. Overall, the data in this study suggested that the denitrifying communities in the wetland soil are diverse and that the richness of denitrifying bacterial community might be affected by elevated $CO_2$ treatment.
Microbial community plays important roles in the culture environment of mud crab Scylla serrata. One of the environmental management efforts for the cultivation of S.serrata is by stabilizing microorganisms involved in nitrogen cycle process. The availability of dissolved inorganic nitrogen in its culture environment under a recirculating system closely relates to the nitrogen cycle, which involves both anaerobic and aerobic bacterial activities. Anaerobically, there are two major nitrogen compound degradation processes, i.e., denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA). This study aimed to identify denitrifying and DNRA bacteria isolated from the recirculating cultivation of S. serrata. The water samples were collected from anaerobic filters called close filter system, which is anaerobically conditioned with the addition of varying physical filter materials in the recirculating mud crab cultures. The results showed that three denitrifying bacterial isolates and seven DNRA bacterial isolates were successfully identified. The phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene of the denitrifying bacteria revealed that HIB_7a had the closest similarity to Stenotrophomonas daejeonensis strain MJ03. Meanwhile, DNRA bacterial isolate of HIB_92 showed a 100% similarity to Bacillus sonorensis strain N3, Bacillus vallismortis strain VITS-17, Bacillus tequlensis strain TY5, Geobacillus sp. strain DB24, Bacillus subtilis strain A1, and Bacillus mojavensis strain SSRAI21. This study provides basic information denitrifying and DNRA bacterial isolates identity which might have the potential to be applied as probiotics in aquaculture systems in order to maintain optimal environmental conditions.
Denitrifying bacteria convert nitrate to nitrogen gas using an external carbon source as an electron donor. The external carbon source affects the denitrification performance and bacterial community structure. Although methanol is a cheap and effective external carbon source, the addition of diverse carbon sources may improve the total nitrogen removal rate and biomass characteristics, such as settleability. In this study, denitrifying reactions were performed using solely methanol and mixed carbon sources of methanol, glucose, and acetate in a sequencing batch reactor. The denitrifying reactor using methanol resulted in a total nitrogen removal rate of 0.39 ± 0.025 kg-N/m3-day while the suspended biomass transformed into dark brown granules. Methyloversatilis discipulorum had the highest predominance at 43.84%. The individual denitrifying biomasses, which were separately enriched with methanol, glucose, and acetate, showed the same total nitrogen removal performance of 0.39 ± 0.016 kg-N/m3-day. However, the addition of mixed carbon sources showed an improved total nitrogen removal rate of 0.42 ± 0.043 kg-N/m3-day, with the domination of Candidatus Saccaribacteria at 25.61%. The denitrifying granules turned pale yellow color. Influent COD/NO3--N ratios of 3.5, 5, and 7.5 exhibited COD/NO3--N consumptions of 4.3 ± 0.4, 4.4 ± 0.8, and 5.2 ± 0.7, and the consistent predominance of Candidatus Saccharibacteria.
Molecular and cultivation techniques were used to characterize the bacterial communities of biobead reactor biofilms in a sewage treatment plant to which an Aerated Up-Flow Biobead process was applied. With this biobead process, the monthly average values of various chemical parameters in the effluent were generally kept under the regulation limits of the effluent quality of the sewage treatment plant during the operation period. Most probable number (MPN) analysis revealed that the population of denitrifying bacteria was abundant in the biobead #1 reactor, denitrifying and nitrifying bacteria coexisted in the biobead #2 reactor, and nitrifying bacteria prevailed over denitrifying bacteria in the biobead #3 reactor. The results of the MPN test suggested that the biobead #2 reactor was a transition zone leading to acclimated nitrifying biofilms in the biobead #3 reactor. Phylogenetic analysis of 16S rDNA sequences cloned from biofilms showed that the biobead #1 reactor, which received a high organic loading rate, had much diverse microorganisms, whereas the biobead #2 and #3 reactors were dominated by the members of Proteobacteria. DGGE analysis with the ammonia monooxygenase (amoA) gene supported the observation from the MPN test that the biofilms of September were fully developed and specialized for nitrification in the biobead reactor #3. All of the DNA sequences of the amoA DGGE bands were very similar to the sequence of the amoA gene of Nitrosomonas species, the presence of which is typical in the biological aerated filters. The results of this study showed that organic and inorganic nutrients were efficiently removed by both denitrifying microbial populations in the anaerobic tank and heterotrophic and nitrifying bacterial biofilms well-formed in the three functional biobead reactors in the Aerated Up-Flow Biobead process.
Compost is widely used as an organic additive to improve the bioremediation of diesel-contaminated soil. In this study, the effects of compost amendment on the remediation performance, functional genes, and bacterial community are evaluated during the bioremediation of diesel-contaminated soils with various ratios of compost (0-20%, w/w). The study reveals that the diesel removal efficiency, soil enzyme (dehydrogenase and urease) activity, soil CH4 oxidation potential, and soil N2O reduction potential have a positive correlation with the compost amendment (p < 0.05). The ratios of denitrifying genes (nosZI, cnorB and qnorB) to 16S rRNA genes each show a positive correlation with compost amendment, whereas the ratio of the CH4-oxidizing gene (pmoA) to the 16S rRNA genes shows a negative correlation. Interestingly, the genera Acidibacter, Blastochloris, Erythrobacter, Hyphomicrobium, Marinobacter, Parvibaculum, Pseudoxanthomonas, and Terrimonas are strongly associated with diesel degradation, and have a strong positive correlation with soil CH4 oxidation potential. Meanwhile, the genera Atopostipes, Bacillus, Halomonas, Oblitimonas, Pusillimonas, Truepera, and Wenahouziangella are found to be strongly associated with soil N2O reduction potential. These results provide useful data for developing technologies that improve diesel removal efficiency while minimizing greenhouse gas emissions in the bioremediation process of diesel-contaminated soil.
An autotrophic denitrification reactor (ADR-l) and a heterotrophic denitrification reactor (HDR-2) were operated to remove nitrate and nitrite in an anoxic environment in raw sewage. The $NO_3$-N removal rate of ADR-l was shown to range from 52.8% to 78.7%, which was higher than the $NO_3$-N removal rate of HDR-2. Specific denitrification rates (SDNR) of ADR-l and HDR-2 were 3.0 to 4.0 and 1.1 to $1.2\;mgNO_3$-N/gVSS/h, respectively. From results of restriction fragment length polymorphism (RFLP) of the 16S rRNA gene, Aquaspirillum metamorphum, Alcaligenes defragrans, and Azoarcus sp. were $\beta$-Proteobacteria that are affiliated with denitritying bacteria in the ADR-l. Specifically, Thiobacillus denitrificans was detected as an autotrophic denitrification bacteria. In HDR-2, the $\beta$-Proteobacteria such as Denitritying-Fe-oxidizing bacteria, Alcaligenes defragrans, Acidovorax sp., Azoarcus denitrificans, and Aquaspirillum metamorphum were the main bacteria related to denitrifying bacteria. The $\beta$-and $\alpha$-Proteobacteria were the important bacterial groups in ADR-l, whereas the $\beta$-Proteobacteria were the main bacterial group in HDR-2 based on results of fluorescent in situ hybridization (FISH). The number of Thiobacillus denitrificans increased in ADR-l during the operation period but not in HRD-2. Overall, the data presented here demonstrate that many heterotrophic denitritying bacteria coexisted with autotrophic denitrifying bacteria such as Thiobacillus denitrificans for nitrate removal in ADR-l. On the other hand, only heterotrophic denitritying bacteria were identified as dominant bacterial groups in HDR-2. Our research may provide a foundation for the complete nitrate removal in raw sewage of low-COD concentration under anoxic condition without any external organic carbon or the requirement of post-treatment.
In this study, two types of reactors were operated to examine the properties of methanol uptake under the high-rate denitrification process. In a sequencing batch reactor, the denitrifying activity was enriched up to 0.80 g-N/g-VSS-day for 72 days. Then, the enriched denitrifying sludge was transferred to a completely stirred tank reactor (CSTR). At the final phase on Day 46-50, the nitrogen removal efficiency was around 100% and the total nitrogen removal rate reached 0.097±0.003 kg-N/㎥-day. During the continuous process, the sludge settling index (SVI30) was stabilized as 118.3 mL/g with the biomass concentration of 1,607 mg/L. The continuous denitrifying process was accelerated by using a sequencing batch reactor (SBR) with a total nitrogen removal rate of 0.403±0.029 kg-N/㎥-day with a high biomass concentration of 8,433 mg-VSS/L. Because the reactor was open to ambient air with the dissolved oxygen range of 0.2-0.5 mg-O2/L, an increased organic carbon requirement of 5.58±0.70 COD/NO3--N was shown for the SBR in comparison to the value of 4.13±0.94 for the test of the same biomass in a completely anaerobic batch reactor. The molecular analysis based on the 16S rRNA gene showed that Methyloversatilis discipulorum and Hyphomicrobium zavarzinii were the responsible denitrifiers with the sole organic carbon source of methanol.
Park, Jong-Bok;Lee, Han-Woong;Lee, Soo-Youn;Lee, Jung-Ok;Bang, Iel-Soo;Park, Eui-So;Park, Doo-Hyun;Park, Yong-Keun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.12
no.6
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pp.929-935
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2002
The 5-stage biological nutrient removal (BNR) process with step feed system showed a very stable organic carbon and nutrient removal efficiency ($87\%\;COD\,;79\%\;nitrogen,\;and\;87\%$ phosphorus) for an operation period of 2 years. In each stage at the pilot plant, microbial communities, which are important in removing nitrogen and phosphorus, were investigated using fluorescence in-situ hybridization (FISH) and 165 rDNA characterization. All tanks of 5-stage sludge had a similar composition of bacterial communities. The totat cell numbers of each reactor were found to be around $2.36-2.83{\times}10^9$ cells/ml. About $56.5-62.0\%$ of total 4,6-diamidino-2-phenylindol (DAPI) cells were hybridized to the bacterial-specific probe EUB388. Members of ${\beta}$-proteobacteria were the most abundant proteobacterial group, accounting for up to $20.6-26.7\%$. The high G+C Gram-positive bacterial group and Cytophaga-Flexibacter cluster counts were also found to be relatively high. The beta subclass proteobacteria did not accumulate a large amount of polyphosphate. The proportion of phosphorus-accumulating organisms (PAOs) in the total population of the sludge was almost $50\%$ in anoxic-1 tank. The high G+C Gram-positive bacteria and Cytophaga-Flexibacter cluster indicate a key role of denitrifying phosphorus-accumulating organisms (dPAOs). Both groups might be correlated with some other subclass of proteobacteria for enhancing nitrogen and phosphorus removal in this process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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