RESUMEN
Anammox is a nitrite dependent process, catalyzed by bacteria of the order Brocadiales. Anammox bacteria oxidize ammonia under anoxic conditions, with nitrite as electron acceptor producing dinitrogen gas. Here, we demonstrated the presence of anammox bacteria by enriched them in a SBR reactor, with anaerobic samples taken from de bottom of a pond used in primary wastewater treatment. The enrichment reached nitrogen (N) removal rates of nearly 1.92kg N/m3/day. (The stoichiometry of the reaction matched previous anammox studies). The enriched bacterial communities were analyzed by Fluorescence In situ Hybridization (FISH), and showed a nearly 90% enrichment at the end of the experiment (day 90). As far as we know this is the first time that the anammox bacteria were enriched using Colombian inocula. The enrichment was achieved in relatively short time with high yields and have an excellent potential for application in wastewater treatment opening the opportunity to treat nitrogen-rich effluents by partial nitritation and anammox, thereby decreasing operational costs with respect to aeration (nitrification) and addition of organic electron donor (heterotrophic denitrification). This more sustainable treatment is a good alternative to control nutrient pollution in water bodies in tropical countries.
La oxidación anaerobia del amonio (anammox), es un proceso nitrito dependiente, catalizado por bacterias del filo planctomicetes. Estas bacterias oxidan el amonio en ausencia de oxígeno, con nitrito como aceptor de electrones produciendo nitrógeno molecular. En Colombia, demostramos la presencia de estas bacterias mediante el enriquecimiento de cultivos en reactores por lotes, con inóculos nativos, provenientes de muestras anaeróbias tomadas del fondo de una laguna para el tratamiento primario de aguas residuales. El enriquecimiento logrado alcanzó remociones de nitrógeno (N), en el orden de 1.92kg - N /m3/día (la estequiometria de la reacción estuvo acorde con estudios previos de anammox). La comunidad bacteriana enriquecida, se analizó mediante hibridación en sitio con fluorescencia (FISH), y mostró que el enriquecimiento contenía aprox. 90 % de bacterias anammox al final del experimento (Día 90). Esta es la primera vez que en Colombia se logra el enriquecimiento de estas bacterias con inóculos locales, hasta nuestro conocimiento. El enriquecimiento fue alcanzado en relativamente corto tiempo con altos rendimientos y tiene un excelente potencial de aplicación en el tratamiento de aguas residuales, abriendo oportunidades para el tratamiento de efluentes ricos en nitrógeno mediante nitritación parcial y anammox, disminuyendo los costos en los procesos de aireación (nitrificación) y en la de adición de donadores orgánicos (denitrificación heterótrofa). El uso de estos tratamientos más sostenibles es una buena alternativa para el control de contaminación por nutrientes en los cuerpos de agua, en países tropicales.
Asunto(s)
Digestión Anaerobia , Colombia , Crecimiento , Nitrógeno , Ciclo del Nitrógeno , Fijación del Nitrógeno , Óxidos de Nitrógeno , Compuestos de Amonio CuaternarioRESUMEN
In the S. tuberosum group phureja crops, mineral fertilizer and organic amendments are applied to meet the plants´ nutritional demands, however the effect of such practices on the associated rizospheric microbial communities are still unknown. Nitrogen plays an important role in agricultural production, and a great diversity of microorganisms regulates its transformation in the soil, affecting its availability for the plant. The aim of this study was to assess the structure of microbial communities related with the N cycle of S. tuberosum group phureja rizospheric soil samples, with contrasting physical-chemical properties and fertilization strategy. Few significant differences between the community composition at the phylum level were found, only Planctomycetes phylum was different between samples of different soil type and fertilization strategy. However, the analysis of nitrogen-associated functional groups made by ribotyping characterization, grouped soils in terms of such variables in a similar way to the physical-chemical properties. Major differences between soil samples were typified by higher percentages of the ribotypes from nitrite oxidation, nitrogen fixation and denitrification on organic amendment soils. Our results suggest that, the dominant rhizosphere microbial composition is very similar between soils, possibly as a result of population´s selection mediated by the rhizosphere effect. However, agricultural management practices in addition to edaphic properties of sampled areas, appear to affect some functional groups associated with the nitrogen cycling, due to differences found on soil´s physicalchemical properties, like the concentration of ammonium that seems to have an effect regulating the distribution and activity of nitrogen related functional groups in the S. tuberosum rhizosphere.
Fertilización mineral y enmiendas orgánicas son aplicadas para satisfacer las demandas nutricionales de los cultivos de S. tuberosum grupo phureja . Sin embargo, el efecto de esas prácticas sobre la comunidad microbiana asociada a la rizósfera aún no se conocen. El nitrógeno juega un papel importante en la producción agrícola y una gran diversidad de microorganismos regulan su transformación en el suelo, afectando su disponibilidad para la planta. El objeto de este estudio fue determinar la composición de la comunidad microbiana de la rizósfera de S. tuberosum grupo phureja , asociada con el ciclo del nitrógeno, en muestras de suelo contrastantes en sus propiedades fisicoquímicas y estrategia de fertilización. Pocas diferencias significativas entre la composición de la comunidad microbiana a nivel de phylum fueron encontradas, Í°nicamente el phylum Planctomycetes fue diferente entre las muestras de suelos con estrategias de fertilización diferentes. Sin embargo, el análisis de grupos funcionales asociados al nitrógeno llevado a cabo por la caracterización de ribotipificación, agrupó los suelos en términos de esas variables en una forma similar a las propiedades fisicoquímicas del suelo. Diferencias mayores entre las muestras de suelo fueron tipificadas por los altos porcentajes de ribotipos asociados a la oxidación de nitrito, fijación de nitrógeno y denitrificación sobre los suelos con enmiendas orgánicas. Nuestros resultados sugieren que la composición microbiana dominante es muy similar entre suelos, posiblemente como resultado de la selección de poblaciones mediada por el efecto rizosférico. Sin embargo, las prácticas del manejo agrícola en conjunto con las propiedades del suelo en las áreas muestreadas, parecen afectar algunos grupos funcionales asociados con el ciclo de nitrógeno, debido a las diferencias encontradas en las propiedades fisicoquímicas del suelo, como la concentración de amonio que parece tener un efecto regulando la distribución y actividad de los grupos funcionales relacionados con el ciclo del nitrógeno en la rizosfera de S. tuberosum.
RESUMEN
The increasing human demand for food, raw material and energy has radically modified both the landscape and biogeochemical cycles in many river basins in the world. The interference of human activities on the Biosphere is so significant that it has doubled the amount of reactive nitrogen due to industrial fertiliser production (Haber-Bosch), fossil fuel burning and land-use change over the last century. In this context, the Brazilian La Plata Basin contributes to the alteration of the nitrogen cycle in South America because of its huge agricultural and grazing area that meets the demands of its large urban centres - Sao Paulo, for instance - and also external markets abroad. In this paper, we estimate the current inputs and outputs of anthropogenic nitrogen (in kg N.km-2.yr-1) in the basin. In the results, we observe that soybean plays a very important role in the Brazilian La Plata, since it contributes with an annual entrance of about 1.8 TgN due to biological nitrogen fixation. Moreover, our estimate indicates that the export of soybean products accounts for roughly 1.0 TgN which is greater than the annual nitrogen riverine exports from Brazilian Parana, Paraguay and Uruguay rivers together. Complimentarily, we built future scenarios representing changes in the nitrogen cycle profile considering two scenarios of climate change for 2070-2100 (based on IPCC's A2 and B2) that will affect land-use, nitrogen inputs, and loss of such nutrients in the basin. Finally, we discuss how both scenarios will affect human well-being since there is a connection between nitrogen cycle and ecosystem services that affect local and global populations, such as food and fibre production and climate regulation.
A crescente demanda humana por alimentos, matérias-primas e energia modificou radicalmente a paisagem e os ciclos biogeoquímicos de inúmeras bacias hidrográficas no mundo. A interferência das atividades humanas na Biosfera é tão grande que já duplicou a quantidade de nitrogênio reativo com a produção industrial de fertilizantes, a queima de combustíveis fósseis e a mudança de uso da terra no século XX. A Bacia do Prata brasileira contribui para a alteração do ciclo do nitrogênio na América do Sul, por causa da sua extensa área e da marcante ocupação agrícola e pecuária, que atende à demanda de seus grandes centros urbanos - São Paulo, por exemplo - e de mercados fora do Brasil. Neste estudo, foram estimados os valores das principais entradas e saídas de N atuais em razão da ação antrópica na bacia. O complexo da soja desempenha um papel importante, pois contribui com uma entrada anual de quase 1.8 TgN por causa da fixação biológica na bacia. Além disso, a exportação de produtos oriundos da soja é estimada em 1.0 TgN, um valor maior que a exportação de nitrogênio total dos rios Paraná, Paraguai e Uruguai (na porção de área brasileira) juntos. Também foram tomadas como hipóteses situações futuras para o comportamento do ciclo de N na bacia, considerando-se dois cenários de mudanças climáticas para o período 2070-2100 (baseados em A2 e B2, do IPCC), que poderão influenciar o uso da terra, as entradas e as perdas de N na bacia. Por fim, é discutido como tais cenários irão alterar o bem-estar da população, pois há uma conexão entre o ciclo do nitrogênio e os serviços ecossistêmicos, tais como a produção de alimentos e a regulação climática.
RESUMEN
The increasing human demand for food, raw material and energy has radically modified both the landscape and biogeochemical cycles in many river basins in the world. The interference of human activities on the Biosphere is so significant that it has doubled the amount of reactive nitrogen due to industrial fertiliser production (Haber-Bosch), fossil fuel burning and land-use change over the last century. In this context, the Brazilian La Plata Basin contributes to the alteration of the nitrogen cycle in South America because of its huge agricultural and grazing area that meets the demands of its large urban centres - Sao Paulo, for instance - and also external markets abroad. In this paper, we estimate the current inputs and outputs of anthropogenic nitrogen (in kg N.km-2.yr-1) in the basin. In the results, we observe that soybean plays a very important role in the Brazilian La Plata, since it contributes with an annual entrance of about 1.8 TgN due to biological nitrogen fixation. Moreover, our estimate indicates that the export of soybean products accounts for roughly 1.0 TgN which is greater than the annual nitrogen riverine exports from Brazilian Parana, Paraguay and Uruguay rivers together. Complimentarily, we built future scenarios representing changes in the nitrogen cycle profile considering two scenarios of climate change for 2070-2100 (based on IPCC's A2 and B2) that will affect land-use, nitrogen inputs, and loss of such nutrients in the basin. Finally, we discuss how both scenarios will affect human well-being since there is a connection between nitrogen cycle and ecosystem services that affect local and global populations, such as food and fibre production and climate regulation.
A crescente demanda humana por alimentos, matérias-primas e energia modificou radicalmente a paisagem e os ciclos biogeoquímicos de inúmeras bacias hidrográficas no mundo. A interferência das atividades humanas na Biosfera é tão grande que já duplicou a quantidade de nitrogênio reativo com a produção industrial de fertilizantes, a queima de combustíveis fósseis e a mudança de uso da terra no século XX. A Bacia do Prata brasileira contribui para a alteração do ciclo do nitrogênio na América do Sul, por causa da sua extensa área e da marcante ocupação agrícola e pecuária, que atende à demanda de seus grandes centros urbanos - São Paulo, por exemplo - e de mercados fora do Brasil. Neste estudo, foram estimados os valores das principais entradas e saídas de N atuais em razão da ação antrópica na bacia. O complexo da soja desempenha um papel importante, pois contribui com uma entrada anual de quase 1.8 TgN por causa da fixação biológica na bacia. Além disso, a exportação de produtos oriundos da soja é estimada em 1.0 TgN, um valor maior que a exportação de nitrogênio total dos rios Paraná, Paraguai e Uruguai (na porção de área brasileira) juntos. Também foram tomadas como hipóteses situações futuras para o comportamento do ciclo de N na bacia, considerando-se dois cenários de mudanças climáticas para o período 2070-2100 (baseados em A2 e B2, do IPCC), que poderão influenciar o uso da terra, as entradas e as perdas de N na bacia. Por fim, é discutido como tais cenários irão alterar o bem-estar da população, pois há uma conexão entre o ciclo do nitrogênio e os serviços ecossistêmicos, tais como a produção de alimentos e a regulação climática.
Asunto(s)
Humanos , Cambio Climático , Ecosistema , Monitoreo del Ambiente/métodos , Actividades Humanas , Ciclo del Nitrógeno , Fijación del Nitrógeno , Ríos , Agricultura , BrasilRESUMEN
Foram analisadas 248 amostras de água de poços cavados durante o período de um ano, coletadas de 12 pontos de cada uma das duas regiões socioeconômicas distintas: a, com redes de abastecimento de água tratada e serviço de esgoto recém-instaladas e b, sem estes serviços de saneamento. As amostras de cada ponto foram obtidas mensalmente. Os dados das determinações químicas mostraram que na região a, os níveis de nitrogênio obtidos pela análise química foram baixos e que, na região b, estes níveis foram significativos. Pela análise microbiológica, verificou-se que a presença de bactérias do grupo coliforme e dos indicadores de contaminação de origem fecal foram relativamente constantes; diferindo a distribuição de bacteriófagos anti-Escherichia coli e Shigella sonnei nas duas regiões, assim como a incidência de coliforme de origem fecal nos meses de inverno, em especial na região b (AU).