Microbial community and its relationship with pollutant removal in treatment wetlands

Abstract

Tehismärgalasid (TM) on viimase poole sajandi jooksul kasutatud reovee puhastumise alternatiivse meetodina konventsionaalsete puhastite kõrval. TM erinevad omadused, sealhulgas filtermaterjali tüüp, tööparameetrid ning samuti taimestiku olemasolu, mõjutavad mikroobikoosluste struktuuri, ruumilist jaotust ja aktiivsust süsteemis. Kuna mikroobsed protsessid on TM reovee puhastusel olulise tähtsusega, aitavad uuringud mikroobiökoloogias laiendada teadmisi mikroobikoosluse kujunemisest ja seostest TM tööparameetritega, võimaldades seeläbi luua stabiilse ja metaboolselt aktiivse mikroobikoosluse jaoks sobiliku TM keskkonna ja selle kaudu tõsta erinevate reoainete puhastamise efektiivsust. Käesoleva doktoritöö eesmärgiks oli uurida eri tüüpi TM mikroobikoosluse arvukust ja struktuuri ning kuidas mikroobikoosluse parameetrid on seotud TM puhastusefektiivsusega ja millised keskkonnafaktorid mõjutavad mikroobikoosluse stabiliseerumist uuritavates süsteemides. Uurimisobjektideks olid kolm eri tüüpi TM, millest kaks olid vastrajatud eksperimentaalset TM ja üks üle 15 aasta kasutuses olnud vabaveeline jõevett puhastav TM kompleks. Saadud tulemused näitasid, et reovee koostis, TM tüüp ja töörežiim mõjutavad bakterikoosluse kujunemist ja struktuuri tehismärgalas. Mikroobikoosluse struktuuri kujunemisel oli näha sarnast ajalist suktsessiooni kahe eksperimentaalse TM vahel. Mikroobikoosluse mitmekesisus tõusis märgatavalt mõlema süsteemi esimese kolme kuu jooksul ja seejärel stabiliseerus, sealhulgas olid algsed muutused mikroobikoosluse kujunemisel suurema varieeruvusega kui pärast stabiliseerumist. Nii mikroobikoosluse mitmekesisus kui ka teatud bakteriperekondade osakaalud olid seotud nende süsteemide puhastusefektiivsustega. Töö tulemused kinnitasid mitmete koosesinevate bakterirühmade mõju nii lämmastiku kui orgaaniliste ühendite eemaldamisele reoveest. Uuritavates TM olid peamisteks lämmastikuärastuse protsessideks autotroofne ja heterotroofne nitrifikatsioon ning denitrifikatsioon ning vähemal määral anaeroobne ammooniumi oksüdeerimine, eelkõige vabaveelises tehismärgalas. Käesoleva doktoritöö tulemuste põhjal saab teha järelduse, et erinevate reoainete parimaks eemaldamiseks tuleks TM konstrueerida ja opereerida meetodil, mis loovad sobiva keskkonna mitmekesise ja kõrge metaboolse aktiivsusega mikroobikoosluse kujunemiseks.

Treatment wetlands (TWs) have been used over fifty years for purification of different types of wastewater. Pollutant removal processes in TWs are mostly related to microbiologically mediated reactions. Knowledge of the microbial community dynamics and structure and the relationship with the system properties and operating conditions is therefore crucial for the development and optimization of effective TWs. In this thesis, bacterial community abundance, structure and diversity was evaluated, as well as their relationship with the pollutant removal potential in three different types of TWs: experimental greywater-fed hybrid TW, horizontal subsurface flow filters of an experimental hybrid TW, and riverine surface flow TW complex. The origin of wastewater, treatment wetland type and the hydrologic mode determined bacterial community structure and abundance in the treatment system. Significant variation in bacterial community structure were detected during the experimental TW’s start-up period and the community diversity increased. Overall, a comparable bacterial community successional pattern was identified in those systems. Based on the results, stabilisation of bacterial community in the experimental TW systems took about three months. The diversity of bacterial community and relative abundance of certain bacterial genera were positively linked to system treatment efficiency. Organic matter and nitrogen removal in the studied experimental TWs was performed by several small subsets of tightly interconnected bacterial species. Water regime was an important factor in shaping the structure of bacterial communities in the studied riverine TW soils - the communities in the occasionally flooded areas were more diverse and complex than those of the permanently flooded areas. The results suggest that nitrogen removal pathways in the studied TWs were coupled autotrophic and heterotrophic nitrification and denitrification, and in limited amount via anaerobic ammonium oxidation process with the highest potential in soils and sediments of the riverine TW complex. The main conclusion of the doctoral thesis is that TWs should be designed and operated in a way that supports the development of diverse microbial communities with a high abundance of metabolically active microbes.