Evaluation of the SIAM technology for wastewater treatment and N-Damo bacteria reaction to the addition of trace metals

In the field of wastewater treatment, innovative processes and new bacteria have been discovered in recent years. Within this framework, the SIAM reactor (Methanogenic Anaerobic Reactor Integrated System and Membrane Bioreactor) has been developed by the University of Santiago de Compostela. SIAM is an integrated anaerobic treatment followed by an advanced biological process. In the first step, the UASB chamber, organic matter is converted under anaerobic conditions into biogas. Water coming from the UASB reactor is rich in dissolved methane, and it will be brought into the MBR section. The post-treatment is composed by an anoxic, an aerobic and a membrane chambers, the three are a hybrid system composted by suspended biomass and attached to Biochips biomass. The characteristics of the outflow permit its reuse for irrigation and industrial purposes. N-Damo are peculiar bacteria, part of the NC10 phylum, able to oxidize dissolved methane from wastewater with contextual use of nitrite and nitrate. This study aims to evaluate N-Damo bacteria, operated in the anoxic chamber of the SIAM reactor, and their response to the addition of trace metals, in particular iron and copper, checking the reactor parameters and conducting proteomic analysis. Despite the period of trace metals addition to the anoxic chamber lasted only 22 days, it is possible to say that a positive N-Damo reaction to trace metals was detected. Dissolved methane removal inside the anoxic chamber likely experienced an increase of 20%, passing from 3,8 ± 2,8 g CH4/d before trace metals addition to 5,2 ± 2,6 g CH4/d after trace metals supplement (that correspond to 12,6 ± 13,3 g COD-CH4/L and 20,8 ± 13,3 g COD-CH4/L in COD units). The most important results were reached by proteomic analysis: before adding the trace metals solution, Candidatus Methylomirabilis represented the 1,5% of the population on the carriers and grew up to 4,1% of the whole bacterial population. The Nitric oxide dismutase protein (NOD), representative of N-Damo, was detected, even if working in a poorly enriched system. Furthermore, currently there is no literature about tracking it through metaproteomic analysis.

In riferimento al campo del trattamento delle acque reflue, negli ultimi anni sono stati scoperti sia processi innovativi che nuovi batteri. In questo contesto, l’Università di Santiago de Compostela ha sviluppato il reattore SIAM (Sistema Integrato di Reattore Anaerobico Metanogenico e Bioreattore a Membrana). Il SIAM prevede un trattamento anaerobico seguito da un processo biologico avanzato. Nella prima fase, la camera UASB, la materia organica viene convertita in condizioni anaerobiche in biogas. L’acqua proveniente dal reattore UASB è ricca di metano disciolto, che verrà portato nella sezione MBR. Il post-trattamento è composto da una camera anossica, una aerobica e una a membrana; le tre sono un sistema ibrido composto da biomassa sospesa e biomassa su supporti (Biochips). Le caratteristiche dell’effluente ne consentono il riutilizzo a fini irrigui e industriali. Gli N-Damo sono particolari batteri, appartenenti al phylum NC10, in grado di ossidare il metano disciolto nelle acque reflue con contestuale utilizzo di nitriti e nitrati. Questo studio si propone di valutare la risposta dei batteri N-Damo, operanti nella camera anossica del reattore SIAM, all’aggiunta di metalli in traccia, in particolare ferro e rame, tramite il controllo dei parametri del reattore e analisi proteomiche. Nonostante il periodo di aggiunta dei metalli in traccia alla camera anossica sia durato solamente 22 giorni, è possibile affermare che la risposta degli N-Damo sia stata positiva. La rimozione del metano disciolto all’interno della camera anossica ha verosimilmente registrato un aumento del 20%, passando da 3,8 ± 2,8 g/d di metano rimosso nel periodo precedente all’aggiunta dei metalli, a 5,2 ± 2,6 g CH4/d nel periodo successivo alla loro aggiunta (corrispondenti a 12,6 ± 13,3 g COD-CH4/L e 20,8 ± 13,3 g COD-CH4/L in termini di COD). I risultati più importanti, però, sono stati raggiunti con l’analisi proteomica: prima dell’aggiunta della soluzione di metalli in traccia, Candidatus Methylomirabilis rappresentava l’1,5% della popolazione sui supporti, successivamente è aumentato fino al 4,1% dell'intera popolazione batterica. La proteina Nitric oxide dismutase (NOD), rappresentativa degli N-Damo, è stata rilevata anche se operante in un sistema a basso contenuto di biomassa. Inoltre, attualmente non esiste letteratura in cui è riportato il rilevamento di questa proteina attraverso l'analisi metaproteomica.