Quand les communautés microbiennes entrent en collision : l'impact de la dynamique des communautés microbiennes des eaux usées après un traitement conventionnel et une phytofiltration

Abstract

L'eau est une ressource essentielle et sa gestion devient de plus en plus importante à mesure que la population mondiale augmente. L'utilisation des ressources en eau génère des eaux usées qui peuvent être dangereuses pour la santé humaine et l'environnement si elles ne sont pas correctement traitées. Le traitement conventionnel des eaux usées utilise l'aération pour stimuler les microbes qui diminuent les contaminants ; cependant, il est coûteux financièrement et énergétiquement, ce qui peut entraîner un traitement limité, voire inexistant, dans les régions ne disposant pas de ressources financières suffisantes. Les progrès de la phytotechnologie ont permis de découvrir que les arbres à haut pouvoir filtrant tels que Salix miyabeana (saule), peuvent être utilisés pour traiter les eaux usées avec l'aide de leurs communautés microbiennes rhizosphériques. Cette dissertation vise à évaluer l'utilisation de la phytofiltration comme méthode de traitement des eaux usées d'un point de vue microbien en comprenant d'abord les communautés microbiennes du traitement conventionnel des eaux usées et en évaluant ensuite les effets de l'irrigation des eaux usées sur une communauté microbienne de la rhizosphère. La compréhension des similitudes ou des différences de ces communautés microbiennes ouvre la voie à l'utilisation de différentes communautés microbiennes dans différents environnements pour atteindre des objectifs similaires (par exemple, l'élimination des déchets des eaux usées). La compréhension des communautés microbiennes présentes permettra de déduire et de comprendre leurs processus de remédiation potentiels, ce qui contribuera à ouvrir l'utilisation des communautés microbiennes (méthodes biologiques) dans diverses applications. Dans le chapitre 1, la communauté microbienne et les constituants des eaux usées provenant des eaux usées primaires, des boues activées et des effluents d'une petite station d'épuration ont été caractérisés et comparés tout au long des étapes du traitement. Les résultats montrent que les communautés microbiennes de chaque étape de traitement sont contrastées les unes par rapport aux autres, et que le processus d'aération est un facteur majeur de changement de la communauté en sélectionnant des bactéries capables de fonctions telles que l'oxydation de l'ammoniac et des nitrites et contre des fonctions telles que la dégradation des polymères végétaux. Les résultats suggèrent également que la concentration de différents constituants des eaux usées (c'est-à-dire le réservoir de ressources), tels que les protéines ou les nitrates et nitrites, joue également un rôle dans la composition de la communauté microbienne. Enfin, les données suggèrent que le traitement des eaux usées ne suffit pas à éliminer de nombreuses bactéries de 3 l'eau, car de nombreuses espèces anaérobies sont présentes en abondance relative élevée dans les effluents. De plus, certaines espèces potentiellement dangereuses présentes dans les effluents sont rejetées dans les eaux de surface. Dans le chapitre 2, la communauté microbienne, ainsi que la composition du sol, d'une rhizosphère de saule témoin, d'une rhizosphère irriguée par de l'eau potable et d'une rhizosphère irriguée par des eaux usées, ont été évaluées et comparées. Les résultats ont montré que la rhizosphère témoin contient de nombreuses espèces contribuant à la promotion de la croissance des plantes et que l'irrigation à l'eau potable a peu d'effet sur la communauté microbienne de la rhizosphère. Vingt-sept pour cent des ESV de la rhizosphère sont différentiellement abondants dans le sol irrigué par les eaux usées par rapport au contrôle, avec une augmentation significative de 95 %. L'irrigation par les eaux usées enrichit de nombreuses espèces avec des caractéristiques favorisant la croissance des plantes et ajoute de nouvelles bactéries à la rhizosphère qui ne sont pas présentes dans le sol témoin et présentent des caractéristiques bénéfiques telles que la fixation de l'azote et l'oxydation du soufre. Cette étude est un regard nouveau sur la réaction de la communauté microbienne de la rhizosphère d'un saule naturel à la phytofiltration des eaux usées au niveau de la taxonomie des espèces. Cette thèse caractérise les communautés microbiennes des eaux usées et de la rhizosphère des saules dans le contexte du traitement des eaux usées et de la phytofiltration. D'un point de vue microbien, la phytofiltration des eaux usées semble être une alternative viable au traitement conventionnel des eaux usées car elle diminue les bactéries des eaux usées, augmente les bactéries de la rhizosphère favorisant la croissance des plantes et fournit des nutriments aux arbres.

Water is an essential resource, and its management is becoming increasingly important as global populations rise. The use of water resources generates wastewater which can be hazardous to human and environmental health if not properly treated. Conventional wastewater treatment uses aeration to stimulate microbes which decrease contaminants; however, it is financially and energetically costly, which can result in little to no treatment in areas without sufficient financial resources. Advancements in phytotechnology have discovered that high filtering trees such as Salix miyabeana (willow), can be employed to treat wastewater with the help of their rhizosphere microbial communities. This dissertation aims to evaluate the use of phytofiltration as a method of wastewater treatment from a microbial perspective by first understanding the microbial communities of conventional wastewater treatment and second evaluating the effects of wastewater irrigation on a rhizosphere microbial community. Understanding the similarities or differences of these microbial communities opens the potential for different microbial communities in different environments to achieve similar endpoints (i.e., removal of wastes from wastewater). Understanding the microbial communities present will help to infer and understand their potential remediation processes which will help to open the use of (biological methods) microbial communities across various applications. In Chapter 1, the microbial community and wastewater constituents from the primary wastewater, activated sludge and effluent of a small-scale wastewater treatment plant were characterized and compared throughout the treatment steps. The results show that the microbial communities of each treatment step are unique from one another, and that the aeration process is a major driver of community change selecting for bacteria capable of functions like ammonia and nitrite oxidation and against functions like plant polymer degradation. Results also suggest the concentration of different wastewater constituents (i.e., the resource pool) such as proteins or nitrates and nitrites also play a role in shaping the composition of the microbial community. Lastly, data suggests that wastewater treatment is not sufficient in removing many bacteria from water, as many anaerobic species are present in high relative abundances in effluent. Additionally, some potentially harmful species present in effluent are released into surface waters. In Chapter 2, the microbial community, along with soil composition, of a control willow rhizosphere, a potable water irrigated rhizosphere, and a wastewater irrigated rhizosphere, were evaluated, and compared. The results showed that the control rhizosphere contains many species 5 contributing to plant growth promotion and that irrigation with potable water has little effect on the rhizosphere microbial community. Twenty-seven percent of rhizosphere ESVs are differentially abundant in wastewater irrigated soil compared to the control, with 95% significantly increasing. Wastewater irrigation enriches many species with plant growth promoting traits and adds novel bacteria to the rhizosphere that are not present in control soil and display beneficial traits such as nitrogen fixation and sulfur oxidation. This study is a novel look at the reaction of a natural willow rhizosphere microbial community to phytofiltration of wastewater at species-level taxonomy. This dissertation characterizes both the wastewater and willow rhizosphere microbial communities in the context of wastewater treatment and phytofiltration. From a microbial perspective, wastewater phytofiltration appears to be a viable alternative to conventional wastewater treatment as it decreases wastewater bacteria, enhances plant growth promoting rhizosphere bacteria and provides nutrients for trees.