Correlación entre los microorganismos oxidantes del amonio y los factores ambientales durante el compostaje de estiércol de ganado / Correlation between ammonia-oxidizing microorganisms and environmental factors during cattle manure composting

Abstract Cattle manure composting was performed in an aerated vessel. Community structure and diversity of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) were investigated using polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) techniques targeting the ammonia monooxygenase alpha subunit (amoA) gene and the correlation between AOB and AOA communities and environmental factors was explored. Thirteen (13) AOB sequences were obtained, which were closely related to Nitrosomonas spp., Nitrosomonas eutropha, and Nitrosospira spp. and uncultured bacteria, among which Nitrosomonas spp. were predominant. Excessively high temperature and high ammonium concentration were not favorable for AOB growth. Five AOA sequences, belonging to Candidatus Nitrososphaera gargensis and to an uncultured archaeon, were obtained. During composting, community diversity of AOB and AOA fluctuated, with AOA showing a higher Shannon-Wiener index. The AOB community changed more dramatically in the mesophilic stage and the early thermophilic stage, whereas the most obvious AOA community succession occurred in the late thermophilic stage, the cooling stage and the maturity stage. Water content, total nitrogen (TN) and ammonium concentration were more relevant to the AOB community structure, while higher correlations were observed between ammonia, nitrate and TN and the AOA community. AOB community diversity was negatively correlated with pH (r = -0.938, p < 0.01) and water content (r = -0.765, p < 0.05), while positively correlated with TN (r = 0.894, p < 0.01). AOA community diversity was negatively correlated with ammonium concentration (r = -0.901, p < 0.01). Ammonium concentration played an important role in the succession of AOB and AOA communities during composting.

Resumen Se llevó a cabo un compostaje de estiércol de ganado en un recipiente aireado. Se investigó la estructura de la comunidad y la diversidad de bacterias oxidantes del amoníaco (AOB) y las arqueas oxidantes del amoníaco (AOA) mediante el uso de las técnicas de reacción en cadena de la polimerasa y la electroforesis en gel con gradiente de desnaturalización (PCR-DGGE) dirigidas al gen de la subunidad alfa de la amonio monooxigenasa (amoA), y se exploró la correlación entre las comunidades AOB, AOA y los factores ambientales. Se obtuvieron 13 secuencias de AOB, las cuales se relacionaron estrechamente con Nitrosomonas spp., Nitrosomonas eutropha y Nitrosospira spp., y bacterias no cultivadas, entre las cuales fueron predominantes las Nitrosomonas spp. La temperatura excesivamente alta y la concentración de amonio elevada no fueron favorables para el crecimiento de las AOB. Se obtuvieron 5 secuencias de AOA, pertenecientes a Candidatus Nitrososphaera gargensis y un Archaeon no cultivado. Durante el compostaje, la diversidad de AOB y AOA fluctuó y las AOA mostraron un índice de Shannon-Wiener más alto. La comunidad de AOB cambió significativamente en la etapa mesofílica y la etapa termofílica temprana, mientras que la sucesión más obvia de la comunidad AOA ocurrió en la etapa termofílica tardía y las etapas de enfriamiento y de maduración. El contenido de agua, el nitrógeno total (TN) y la concentración de amonio fueron más relevantes para la estructura de la comunidad AOB, mientras que se observaron correlaciones mayores entre amoníaco, nitrato y TN, y la comunidad AOA. La diversidad de la comunidad AOB se correlacionó negativamente con el pH (r= -0,938; p < 0,01) y el contenido de agua (r = -0,765; p < 0,05), mientras que se relacionó positivamente con TN (r = 0,894; p < 0,01). La diversidad de la comunidad AOA se correlacionó negativamente con la concentración de amonio (r = -0,901; p < 0,01). La concentración de amonio desempenó un papel importante en la sucesión de las comunidades AOB y AOA durante el compostaje.

Diversity and abundance of denitrifiers during cow manure composting / Diversidad y abundancia de desnitrificadores durante el compostaje del estiércol de vaca

Diversity and abundance of the denitrifying genes nirK, nirS and nosZ were investigated in cow manure compost using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) and real-time quantitative PCR (qPCR), respectively. These three genes were detected in all the stages of the composting process. Phylogenetic analysis showed that the nirK gene was closely related to Rhizobiales, Burkholderiales, the nirS gene was closely related to Pseudomonadales and Burkholderiales, and the nosZ gene was closely related to Rhodospirillales, Rhizobiales, Pseudomonadales, and Alteromonadales. qPCR results showed that the abundance of these three genes (nirK, nirS and nosZ) reached the peak value in the late thermophilic stage of composting and abundance of the nirK gene was higher than that of the nosZ gene and the nirS gene. Redundancy analysis (RDA) showed that the diversity of the nirK and nirS genes was significantly correlated with ammonium (p < 0.05), the diversity of the nosZ gene was significantly correlated with pH (p < 0.05) and the abundance of the nirK nirS and nosZ genes was significantly correlated with temperature (p< 0.05).

La diversidad y la abundancia de los genes desnitrificadores nirK, nirS, nosZ en el compost de estiércol de vaca se investigaron por medio de la reacción en cadena de la polimerasa seguida de electroforesis en gel con gradiente de desnaturalización (PCR-DGGE) y por PCR cuantitativa (qPCR) en tiempo real, respectivamente. Estos 3 genes fueron detectados durante todas las fases del compostaje. El análisis filogenético mostró estrecha relación del gen nirK con Rhizobiales y Burkholderiales, del gen nirS con Pseudomonadales y Burkholderiales y del gen nosZ con Rhodospirillales, Rhizobiales, Pseudomonadales y Alteromonadales. Los resultados de la qPCR mostraron que la abundancia de los genes nirK, nirSy nosZ alcanzó el valor máximo en la fase termofílica tardía del compostaje, y que la abundancia del gen nirK era más elevada que los de los genes nosZ y nirS. El análisis de redundancia (RDA) mostró que la diversidad de los genes nirK y nirS estaba significativamente correlacionada con la concentración de amonio (p<0,05), mientras que la del gen nosZ estaba significativamente correlacionada con el pH (p<0,05). También mostró que la abundancia de los genes nirK, nirS y nosZ estaba significativamente correlacionada con la temperatura (p<0,05).