ARTIGO CIENTIFICO MICROBIOLOGIA AMBIENTAL TRADUZIDO. MARIELLI

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Estrutura da comunidade bacteriana na Água potável Microbiome Is
Governado por processos de filtração
RESUMO: A estrutura da comunidade bacteriana de um beber água microbioma se caracterizou ao longo de três pyrosequencing estações usando gene 16S rRNA de base obtido a partir de amostras de água de fonte (uma mistura de um subterrâneas e uma água de superfície), diferentes pontos de uma planta de água potável operado para tratar essa água da fonte, e no associado potável sistema de distribuição de água. Embora a fonte água foi mostrado para semear o microbioma água potável, operações de processo de tratamento limitar a influência da água da fonte na comunidade bacteriana sistema de distribuição. Em vez disso, neste planta, filtração por dupla de mídia filtros rápidos de areia desempenhou um papel primordial na formação do sistema de distribuição bacteriana comunidade ao longo do tempo sazonal escalas como os filtros abrigava uma comunidade bacteriana estável que semearam o tratamento de água processos de filtração passado. Taxa de bactérias que colonizaram o filtro e descartadas no efluente do filtro foram capazes de persistir no sistema de distribuição, apesar de desinfecção da água terminou por cloração e filtro de retrolavagem com retrolavagem chloraminated água. Assim, a colonização do filtro apresenta uma possível estratégia de sobrevivência ecológica para as comunidades bacterianas em água potável sistemas, o que representa uma oportunidade para controlar o microbioma água potável através da manipulação do filtro microbiano comunidade. O agrupamento de taxa bacteriana com base na sua associação com o filtro ajudou a elucidar as relações entre o abundância de grupos bacterianos e parâmetros de qualidade da água e do pH mostrou que era a mais forte do regulador bacteriano comunidade no sistema de água potável amostrado
INTRODUÇÃO
	Comunidades bacterianas em sistemas de água potável (DWSS) podem desempenhar um papel positivo através de química mediada biologicamente a remoção de contaminantes; mais comummente implementada em sistemas de filtração, 1, mas também pode ter um impacto negativo se DWSS abrigar potencial pathogens2,3 e contribuindo para deterioração da infra-estrutura devido à induzida biologicamente corrosion.4 Em um esforço para minimizar esses aspectos negativos, a maioria dos serviços públicos de água potável tentar limitar o crescimento microbiano no potável estação de tratamento de água (ETA) ea beber sistema de distribuição de água (DWDS). Especificamente, a maioria dos filtros são concebido para remover turbidez e substratos para o crescimento bacteriano limitar o crescimento de bactérias a jusante do filtro e
desinfecção (por exemplo, ozonização, cloração, cloraminação, ou Tratamento UV) é utilizado para inactivar bactérias. Além disso, uma desinfecção residual é mantido na maioria dos DWDSs para prevenir regrowth.5 bacteriana Apesar destes esforços, todos os DWSS abrigar um grande diversidade de concentrações e bacterianas em bacteria6,7 água potável são estimados em cerca de 106 -108 Células por liter.6,8 Uma vez que não é possível eliminar as bactérias de beber água com as tecnologias atuais de tratamento, é fundamental para identificar os diferentes tipos de bactérias e a sua relativa abundância em DWSS, e para determinar qual a qualidade da água parâmetros e / ou processos de tratamento de forma a bacteriana estrutura da comunidade em DWSS. Estudos prévios determinaram abundância bacteriana em diferentes pontos em um DWS, 6 elucidado sazonal e diurna a alteração da composição da comunidade bacteriana em múltiplos locais de amostragem, 8,9 e tentou identificar as fontes de bactérias no DWDS.10 Estes estudos têm procurado responder a perguntas tais como "que está presente?" e "como é que a mudança composição entre os locais ou ao longo do tempo? ". No entanto, eles geralmente não fez avaliar o papel da qualidade da água ou em processo de operação moldando a estrutura da comunidade. Caracterizar a beber microbiome água sem identificar as forças que influenciam não é apenas um desafio, mas também representa uma oportunidade perdida. Enquanto fatores que moldam a estrutura da comunidade bacteriana são inegavelmente sítio específico, devido às diferenças nas configurações de plantas, práticas operacionais e qualidade da água, o desenvolvimento de um abordagem que pode identificar as forças que determinam a estrutura da comunidade bacteriana fornece uma estrutura que pode ser aplicado à maioria dosDWSS. Para o nosso conhecimento, essa abordagem Ainda não foi desenvolvida. Para este fim, foi realizada uma campanha de amostragem para a Ann Arbor, Michigan DWS, incluindo vários locais de amostragem na a ETA e DWDS. As análises Nós usamos β-diversidade com base em 16S rRNA pyrosequencing base para comparar bacteriana comunidades em todo os locais de amostragem e para estações determinar (i) que fonte (s) e / ou o processo (es) e sementes moldar a comunidade bacteriana no ETAP e DWDS, e (ii) como a qualidade da água contribui para a estrutura de bacteriana Comunidades
■ MATERIAIS E MÉTODOS
	Beber Estação de Tratamento de Água e Distribuição Sistema. A Ann Arbor ETAP fornece água para a cidade de Ann Arbor, Michigan. As duas águas de origem tratados neste planta consistem em águas superficiais do rio Huron e águas subterrâneas de poços locais. A água de superfície para as águas subterrâneas proporção varia ao longo do ano variando de aproximadamente 2: 1, no inverno a 8: 1 no verão. O tratamento inclui a cal amolecimento, coagulação, floculação, sedimentação, ozonização, dupla filtração mídia, e adição de cloro livre e amônia antes da distribuição (Informações de Suporte (SI) Figura S1). A ETAP tem 26 filtros de mídia dupla constituídos por um camada de carvão ativado granular (GAC) sobre a areia (altura do leito proporções variam entre 2: 1 a 3: 1) suportado por cascalho, granada, ou Apoio de mídia integrante Leopold (IMS) bonés (Zeilenpole, PA) na a parte inferior dos filtros. Em um determinado momento, cerca de 7- 10 filtros são operados com um tempo de contato cama vazia de menos de 10 min. Os filtros são lavados a cada 70-90 h (ou após a filtragem 75-100 milhões de litros de água) com acabamento água contendo cloramina a uma concentração de aproximadamente 3 mg Cl2 / L. O cloro livre é adicionada aos filtros de efluentes a uma concentração de 5 mg Cl2 / L e, após um tempo de contacto de cerca de 1 minuto, a amónia é adicionada (-1 mg / L de amónia) para gerar cloramina nos poços claras, que é usado como desinfectante residual nos DWDS. O pH da água acabado é mantido entre 9,1 e 9,3, para garantir a formação de monocloroamina principalmente, em relação ao di / tricloraminas, bem como para assegurar a estabilidade de monocloroamina nas DWDS. Amostragem, o processamento da amostra, e análises químicas. A campanha de amostragem foi realizado durante seis meses em 2010, especificamente abril (26-29), Junho (10/08), Julho (5-8), Agosto (16-19), setembro (14-16), e Outubro (27-30). As amostras foram coletadas em sete pontos da ETA (SI Figura S1) e 13 pontos nas DWDS. Todas as amostras foram em massa amostras de água, exceto para as amostras de dois filtros de mídia, para que GAC meio foi recolhido diretamente a partir do topo três camas de filtro que estavam em uso. Quantidades iguais de mídia GAC a partir de cada filtro foram combinadas para gerar um único filtro amostra para cada ponto de tempo de amostragem. Amostras de água foram em massa coletado em 4 L estéreis garrafas Nalgene de policarbonato, que foram transportados em gelo para o laboratório. Após a chegada em laboratório, amostras para análises de biomassa foram filtradas através de estéril (por autoclavagem) de 0,22? M filtros de membrana de policarbonato (Millipore catálogo não: GTTP04700, Billerica, MA). Especificamente, 250 ml de superfície água, 1000 ml de água subterrânea, 1000 mL de afluente do filtro, e 2000 ml de cada para as amostras restantes foram filtrados, e o membranas de filtro com
biomassa coletados foram transferidos para tubos de microcentrífuga estéreis e armazenado a -80 ° C. Todos filtração Equipamento (Millipore), que é, tubo do filtro, funis, e o filtro
suportes, foram esterilizados por autoclave, imediatamente antes da filtração. As amostras de água foram analisadas imediatamente para o total cloro, o pH, a condutividade, e usando o padrão de turbidez methods.11 Após a chegada no laboratório, as amostras para As análises químicas adicionais que foram filtradas através de 0,2 ^ M
filtros de nylon (Fisher catálogo n °: 09-719C, Chicago, IL) e armazenada a 4 ° C durante um máximo de 10-14 dias. As amostras eram analisada para amoníaco total (NH3 + NH4 + -N), Nitrito (NO2 - N), nitrato (NO3 -N), Carbono orgânico total (COT), phosphateP, cloreto, sulfato e de acordo com a norma protocols.11 Extração de DNA. O protocolo de extracção de ácido nucleico foi otimizado para recuperação de DNA confiável e reprodutível da postfiltration amostras incluindo as amostras para as quais DWDS a abundância bacteriana era esperado para ser muito baixo. O volume da amostra filtrada para amostras postfiltration, conforme listado acima, foi determinada após uma extração de DNA extensa otimização de protocolo (SI Figura S2). Resumidamente, os filtros com biomassa colhidos foram incubados com 1 ml de 25: 24: 1 (v: v: v) fenol: clorofórmio: álcool isoamílico (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) em um banho de água a 70 ° C durante 5 min para permitir a dissolução de o material do filtro de policarbonato. Após isto, uma anteriormente protocolo de extracção de DNA descrita foi usada, com o 12 além de mais dois 2-min talão batendo steps13 tal que a etapas segundo e terceiro batedores foram precedidos por substituição da fase aquosa com tampão de lise fresco para minimizar corte do ADN já recuperado na fase aquosa. O DNA extraído foi purificado, precipitado, e dissolve-se 12 em 50 uL de água estéril livre de nuclease e armazenado a -80 ° C. Amplificação por PCR e 454-A sequenciação. PCR amplificação cação foi realizada em triplicado utilizando Roche 454 titaniumcompatible primers segmentação genes 16S rRNA bacterianas como earlier.14 descritos produtos de PCR em triplicado e foram reunidas purificado utilizando um kit de purificação de PCR QIAquick (Qiagen Inc., Valência, CA). A quantidade de produto de PCR a partir de cada uma das amostras foi quantificado em triplicado usando um kit de ensaio Quant-iT ADNcd (Invitrogen, Carlsbad, CA) sobre uma Nanodrop 3300 (Thermo Scientific, Wilmington, DE).
Os produtos de PCR de cada amostra foram depois combinadas para gerar 18 piscinas de PCR finais para sequenciação (resumidos em SI Tabela S1). Especificamente, duas amostras mensais de cada local de amostragem foram combinadas para gerar amostras sazonais, ou seja, abril-junho, julho e agosto, e setembro-outubro foram reunidas para formar Primavera, Verão, Outono e amostras, respectivamente. Algumas das amostras foram ainda reunidas sazonais combinaram-se para limitar o número de amostras a ser sequenciado. Especificamente, as amostras superficiais e subterrâneos foram combinadas para formar amostra de água de uma fonte, bem claro e reservatório As amostras foram combinadas para gerar uma amostra de tanque de desinfecção, e todas as 13 amostras DWDS foram combinadas para gerar uma DWDS
piscina. Isto resultou em seis piscinas de PCR para cada uma das três estações (fonte de água, afluente do filtro, filtro, filtro de efluentes, tanque de desinfecção, e DWDS). Estas 18 amostras eram sequenciado na Michigan State University Research Suporte de Tecnologia Facility (East Lansing, Michigan) em 1 / 8 placa pico-título (60 amostras sem relação com o estudo foram
Também incluídos). Processamento de dados. Todo o processamento dos dados foi realizado utilizando Mothur15 e focado principalmente em análises baseadas β-diversidade. Um total de 5717 sequências foram obtidos para as 18 amostras sequenciadas para este estudo. As sequências foram aparadas para remover cartilhas e códigos de barras, qualidade filtrada e quimera verificado como definido anteriormente, 14 resultando num total de 5623 sequências na biblioteca de dados final. Os números de qualidade filtrado e livre de quimera lê em cada amostra são fornecidos em Tabela SI S2. Embora o esforço de sequenciamento neste estudo não foi muito profunda, que tem sido demonstrado que as análises baseadas β-diversidade pode ser eficazmente realizada sem o requisito para uma profunda sequencing.14,16 Especificamente, o seqüenciamento mais profundo não faz melhorar a precisão das estimativas de β-diversidade, mas apenas melhora precision.14 P-Diversidade e Análises Estatísticas. As sequências foram
agrupado usando o approach17 média vizinho para formar unidades taxonômicas operacionais (Otus) em 97% seqüência similaridade de corte (3% de divergência de sequência). Todas as amostras eram normalizada para assegurar a igualdade de número de sequências em cada
amostra, antes de serem analyses.18 árvores filogenéticas foram construídos usando a defenida program19 eo parcimónia Test20 foi realizado para determinar a significância de semelhança estrutural entre as comunidades em toda a amostragem locais e épocas. The Fast tool21 on-line foi UniFrac usado para estimar ponderada (WUnF) e não ponderada (UWUnF) Métricas UniFrac, 22 para executar Jackknife agrupamento (1000 iterações), e realizar análises de coordenadas principais (PCOA). A classificação de leituras foi realizada utilizando um RDP set23 treinamento usando um corte de um nível de confiança de 75%. Linear análises de regressão para determinar correlação entre água parâmetros de qualidade e abundância relativa de relevante OTUs foram determinadas usando PAST.24
Figura 1. abundância relativa de filos bacteriana nos seis locais de amostragem em média por três temporadas. O filo dominante, Proteobacteria, é não representada, no painel superior, mas é dividida nas suas cinco classes no painel inferior. O painel superior mostra a distribuição de todas as outras bactérias que Proteobacteria, a soma dos quais são mostrados em vermelho no painel inferior. A classificação foi realizada utilizando o conjunto de treinamento RDP fornecida através Mothur15 utilizando um nível de confiança de corte de 75%.
■ RESULTADOS E DISCUSSÃO
	Sistemas de água potável Anfitrião Diverse bacteriana Comunidades. A Figura 1 mostra a classificação de nível filo para todas as sequências detectadas nos seis locais de amostragem média ao longo dos três estações para os quais foram obtidos a partir de amostras a Ann Arbor DWS. A DWS abrigou uma grande diversidade de filos bacteriana com 14, 14, 9, 14, 16, 13 e diferente bacteriana filos detectado na água da fonte, do afluente do filtro, filtro, filtro efluente, tanque de desinfecção, e DWDS, respectivamente. A sete filos dominante para todos os locais de amostragem combinada, em ordem de sua abundância relativa decrescente, foram Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Nitrospira, OD1, Planctomycetes, e Acidobacteria. Proteobacteria constituídos, aproximadamente 74% do número total de todas as amostras para UTOs combinado, ao passo que as suas subclasses foram representados na ordem de abundância diminuindo seguinte: Betaproteobacteria (40%), Alphaproteobacteria (21%), Deltaproteobacteria (4%), Gammaproteobacteria (4%), e Epsilonproteobacteria (1%), com um adicional de 4% não classificados Proteobacteria. A relativa abundância dos seis filos dominante permanecendo em média 2,3 ± 1,5%, ao passo que dez outros filos representado de 0,02% a 0,6% do número total de UTOs. Apesar do domínio de Betaproteobacteria e Alphaproteobacteria, o que é consistente com observações anteriores, a DWS 9,10 continha uma vasta diversidade de grupos bacterianos. Quando se deslocam a partir da cabeça do ETA para os DWDS, a abundância relativa do Alphaproteobacteria aumentou de cerca de 6% no água da fonte para 38% no filtro e 23% no DWDS. Dentro contraste, a abundância relativa de Betaproteobacteria
não fez como alterar dramaticamente e variou de 34% na fonte água para 43% nas DWDS. Embora Epsilonproteobacteria constituíam aproximadamente 5% da comunidade bacteriana no fonte de água, nenhuma das sequências na ETA e DWDS amostras caiu nesse grupo. A maior diminuição na relação abundância, quando se deslocam através do ETAP foi visto pela filo Actinobacteria, especificamente a ordem Actinomycetales. Os membros desta ordem constituía cerca de 14% do amostras de água de origem e representou apenas cerca de 0,5% no amostras no ETAP e DWDS para todas as três temporadas. É importante notar que a detecção de bactérias UTOs usando análises de DNA baseadas não verificar que o bactérias correspondentes são viáveis ​​ou active.25,26 Numerosos abordagens têm sido recomendados para a discriminação de "Ao vivo" e bactérias "mortas", 26-30, mas nenhum método único ou a um combinação de métodos pode garantir a detecção selectiva bactérias de viável. Alternativamente, alguns estudos sugeriram que o RNA alvo em vez do ADN que limitaria a detecção para bactérias ativas, 31,32 sob a suposição de que o RNA é única sintetizada em células em crescimento activo. No entanto, a falta de actividade (dormência) por bactérias dentro do DWS não necessariamente significa que eles não podem tornar-se em actividade fora da DWS, para exemplo, no interior do hospedeiro humano. Como resultado, o selectiva detecção e caracterização de bactérias viáveis ​​é um desafio tarefa e uma importante questão de pesquisa por si só. Anterior investigação tem mostrado que o aumento do tamanho do alvo amplicon discrimina seletivamente entre intactos e danificados ADN e que amplicões maiores tendem a correlacionar-se com viability.29,30 Por isso, escolhemos como o dano ao DNA mecanismo primário para a discriminação entre vivos e mortos células, seleccionando pyrosequencing iniciadores de PCR, que geram relativamente grandes amplicons (~600 pb). As Sementes fonte de água do sistema de água potável. Para determinar a capacidade da fonte de água sobre as sementes a DWS, estimamos as semelhanças na composição das comunidade através os seis locais de amostragem. Especificamente, nós finalmente resolvido o detectado OTUs em três categorias, a saber núcleo, variável e único OTUs. Um OTU foi categorizado como um núcleo OTU, 33 se era encontrados em todos os locais de recolha de amostras Pelo menos um ponto de tempo sazonal. Um OTU foi classificada como OTU variável se não foi detectado em todos os locais, mas foi encontrada em mais do que uma localização em qualquer ponto de tempo. Único OTUs foram definidos como OTUs que foram detectados apenas em um único local de amostragem. Dos 606 detectada OTUs, 4%, 36%, e 60% foram classificados como núcleo, variável e original, respectivamente. Seqüenciamento Deeper (mais sequências por amostra) provavelmente aumentar o número de detectados OTUs, mas só melhoraria a representação de taxa rara e não teria um impacto significativo sobre a estrutura do microbiome14 beber água (SI Figura S3). SI Figura S4 mostra as relações filogenéticas entre tudo núcleo OTUs, a sua abundância relativa em todos os pontos de amostragem, e um heatmap que mostra a variação na abundância relativa de fonte água para DWDS. Estes núcleo UTOs provavelmente exibem uma variedade de características funcionais que permitem a sua sobrevivência num intervalo de ambientes, a partir de condições eutróficas em uma das fontes águas (águas superficiais) ao substrato condições limitadas acompanhado pelo estresse crônico desinfetante nas DWDS. Este é realçado pelo fato de que alguns OTUs com alta similaridade (> 97%) para o microbioma núcleo foram recuperados a partir de amostras ambientais diferentes, que vão desde Beijerinckiaceae em soils34 a pele associada Rhodospirillaceae35 e Nitrospira em beber water36 para Rhodobacteraceae em águas residuais
systems.37 O Filtro molda o DWDS bacteriana comunitária. As comunidades bacterianas água fonte e filtro agrupado independentemente das amostras postfiltration para dois de as três estações (SI Figura S5A) e este foi apoiada por uma fração alta Jackknife (> apoio de 90%). Quando os dados de todos três temporadas foram combinadas, as amostras postfiltration agrupados juntos, em comparação com as amostras de pré-filtração os quais foram separados sobre nodos distintos (Figura S5b SI). Além disso, uma comparação pareada entre locais de amostragem mostra que a estrutura da comunidade bacteriana para a fonte amostra de água foi distinta de todas as bacteriana DWS estruturas comunitárias (parcimônia p <0,001) dentro de cada estação sequências (dados não apresentados) e também quando de todos três temporadas foram combinados (SI Figura S5B). Estes resultados indicam claramente que, embora as sementes da água da fonte DWS, não moldar a estrutura da comunidade bacteriana de o microbioma água potável. Além disso, análise de parcimônia indicar apenas três comparações de pares com significativamente estrutura da comunidade semelhante (efluente filtro de filtro, filtro tanque de efluentes-desinfecção e desinfecção tanque-DWDS) (SI Figura S5B), indicando a conservação da estrutura da comunidade como a água se move do filtro para os DWDS em contraste com as amostras de pré-filtração. Evidência de separação clara da dinâmica entre o prée postfiltration amostras pode ser visto comparando o estabilidade da sociedade da comunidade e da estrutura em cada local de amostragem ao longo das três temporadas (Figura2). Superior UwUnF e WUnF semelhanças indicam maior estabilidade do a adesão bacteriana comunidade e estrutura, respectivamente. A água da fonte exibiram o menor em termos de estabilidade adesão partilhada e a estrutura, de acordo com o observação de que as mudanças sazonais na qualidade da água foram maiores para a fonte de água (SI Tabela S3). Em contraste, o filtro comunidade bacteriana apresentaram a maior quantidade de compartilhada adesão ao longo das estações, ou seja, ~37% filiação compartilhada e maior do que 75% estrutura partilhada. Isto mostra claramente que o filtro mantido uma comunidade bacteriana mais estável como em comparação com os outros locais de amostragem, apesar da sazonal mudanças na fonte de água e exposição intermitente a cloraminas presentes na água de lavagem. Além disso, todos postfiltration amostras exibiram uma estabilidade mais elevada do que a amostras de pré-filtração. É provável que o filtro bacteriano estável comunidade continuamente sementes das amostras postfiltration através sloughing de biofilmes ligados ao meio filtrante, que estabiliza o communities.38 bacteriana postfiltration Construímos plotagens PCOA usando distâncias WUnF de pares entre todos os locais de amostragem e pontos de tempo sazonais (Figura3). Três principais características eram notados pela Ann Arbor DWS: (1) a dinâmica espacial notavelmente semelhantes na estrutura da comunidade independentemente da época, (2) a dinâmica espacial da prée postfiltration amostras são distintamente diferentes (mudanças no amostras de pré-filtração são principalmente ao longo de coordenadas principais 1, Considerando que as alterações nas amostras postfiltration são menos substancial, mas ter lugar ao longo de coordenadas principais 2) e (3) a estabilidade da comunidade bacteriana filtro em comparação com a outra locais de amostragem. Isso reafirma ainda mais a noção de que o filtro exerce uma força de estabilização nas comunidades postfiltration e sementeira pelo filtro muda drasticamente a dinâmica da postfiltration amostras de tal modo que eles são largamente dissociadas da os efeitos sazonais visto nas amostras pré-filtração. Para melhor compreender a influência do filtro na postfiltration comunidades e proporcionar um quadro para analisar colonização filtro como um potencial mecanismo pelo qual bactérias dominam o microbioma água potável, todos OTUs foram agrupadas com base em sua associação (ou falta dela) com o filtro em quatro categorias diferentes como se segue. O grupo de colonizadores gotejantes (LC) consistiu de
OTUs detectada no filtro e todas as amostras postfiltration. A LC apresenta o grupo maior potencial para semear as amostras postfiltration como eles são derivado de um reservatório estável de biomassa bacteriana no filtro que pode ser descartadas no efluente do filtro e, eventualmente,nas DWDS. A sua abundância no filtro pode ser reabastecido por crescimento sobre o filtro, por meio de sementeira a partir de fonte de água a longo prazo, ou através de sementeiras com água de lavagem no curto prazo. O grupo de estrita colonizadores (SC) inclui UTOs que são detectados no filtro, e, possivelmente, em amostras pré-filtração, mas nunca em postfiltration amostras. Estas taxa não são importantes do ponto de vista de a comunidade bacteriana DWDS, mas eles podem ser direta concorrentes com o grupo de LC a partir de um filtro colonizingTo compreender ainda a influência do filtro na postfiltration comunidades e proporcionar um quadro para analisar colonização filtro como um potencial mecanismo pelo qual bactérias dominam o microbioma água potável, todos OTUs foram agrupadas com base em sua associação (ou falta dela) com o filtro em quatro categorias diferentes como se segue. O grupo de colonizadores gotejantes (LC) consistiu de OTUs detectada no filtro e todas as amostras postfiltration. A LC apresenta o grupo maior potencial para semear as amostras postfiltration como eles são derivado de um reservatório estável de biomassa bacteriana no filtro que pode ser descartadas no efluente do filtro e, eventualmente, nas DWDS. A sua abundância no filtro pode ser reabastecido por crescimento sobre o filtro, por meio de sementeira a partir de fonte de água a longo prazo, ou através de sementeiras com água de lavagem no curto prazo. O grupo de estrita colonizadores (SC) inclui UTOs que são detectados no filtro, e, possivelmente, em amostras pré-filtração, mas nunca em postfiltration amostras. Estas taxa não são importantes do ponto de vista de a comunidade bacteriana DWDS, mas eles podem ser direta concorrentes com o grupo de LC a partir de uma perspectiva de colonização do filtro. Uma vez que estes OTUs estão ausentes postfiltration amostras, eles podem representar principalmente bactérias formadoras de biofilmeque não são competitivos em um estado planctônicos. O terceiro categoria foi o grupo pass-through (PT) definido como OTUs que foram encontrados em todas as amostras pré e postfiltration, mas eram Nunca detectado nas amostras de filtro. Em contraste com o SC grupo, o grupo PT representa bactérias que ou não são capazes para formar biofilmes, ou são concorrentes fracos com LC e SC grupos em modo de biofilme e, portanto, não são capazes de colonizar o filtro. A última categoria de OTUs foi o filtro-independente grupo de variáveis ​​(FIV). Estes UTOs Nunca foram detectados na meio filtrante e não em todos os outros cinco locais de amostragem. O grupo de FIV foram compostas principalmente de OTUs que foram única para cada localização de amostragem (> 80%) e que alguns UTOs esporadicamente foram detectados em mais de um local de amostragem. A Figura 4A e B mostram a abundância relativa de cada um dos quatro grupos e sua contribuição para a comunidade adesão nos seis locais de amostragem, respectivamente. O LC grupo constitui aproximadamente 75% do afluente do filtro, 93% dos meios de filtração, de 80% do efluente do filtro, 68% do tanque de desinfecção, e aproximadamente 59% dos DWDS comunidades bacterianos (Figura 4A). Estes valores elevados traduzir no grupo LC compreendendo cerca de 67% do microbiome beber água, mas apenas 16% do total associação (Figura 4B). O grupo é responsável por LC cerca de 25% e 20% dos sócios eabundância relativa, respectivamente, da DWS em comparação com o microbioma núcleo. Isso ocorre porque uma análise com base na microbiome núcleo abordagem é limitada pelo tempo de quadro de amostragem, isto é, ela é incapaz de resolver o histórico de semeadura DWS pela água da fonte. Em vez disso, por binning a taxa com base em a sua associação com o filtro, o qual actua como um reservatório estável, que é capaz de avaliar a taxa que podem ter sido introduzidos o filtro da fonte de água antes do início a campanha de amostragem. Aproximadamente 42% do grupo LC foram feitos de Alphaproteobacteria, com a maioria (> 70%) pertencentes a três ordens bacterianas (Rhizobiales> Rhodospirillales> Sphingomonadales). Um outro 16% do LC grupo foi composto por Betaproteobacteria com a maioria que pertence à ordem burkholderiales. O grupo SC foi principalmente composto por Proteobacteria (Betaproteobacteria>Alphaproteobacteria> Deltaproteobacteria> Gammaproteobacteria), Bacteroidetes e Actinobacteria filos. O grupo PT era composto por Proteobacteria (Alphaproteobacteria = Betaproteobacteria) OD1>> Bacteroides, e todas as sequências na Bacteroides filo consistiu de Sphingobacteria. Embora este ampla categorização ajuda a determinar a contribuição do filtro na formação da comunidade bacteriana DWDS, fisiológica diferenças entre diferentes OTUs também são igualmente importantes. Os três OTUs mais dominante no conjunto de dados completo foramclassificada com sucesso para o nível género. Estes foram OTUs Acidovorax e Hydrogenophaga, ambos pertencentes à família Comamonadaceae na ordem burkholderiales, e Denitratisoma,um membro da família Rhodocyclaceae no Rhodocyclales ordem (limiares de confiança para atribuições de nível de gênero foram: 92 ± 3%, 85 ± 11%, e 78 ± 4,5%, respectivamente). Figuras 4C- E mostram a abundância relativa de cada um destes géneros no diferentes locais de amostragem. Hydrogenophaga dominou o filtrar comunidade microbiana sugerindo que este género tem um vantagem competitiva em biofilmes. Em contraste, foi Acidovorax o género dominante em todos os locais de amostragem de água em massa. Dentro contrastam com Acidovorax e Hydrogenophaga, cuja relação abundância foi significativamente (p <0,05) inferior na desinfecção tanque, em comparação com o efluente do filtro, os níveis eram Denitratisoma menos impactado pela desinfecção e manteve-se relativamente consistente em todas as amostras incluindo os DWDS postfiltration. Seqüências associado com Denitratisoma foram recuperados a partir de sites contaminados com compostos clorados, 39 fazendo-nos especular que o seu aumento em abundância relativa poderia ser atribuído à maior resistência de cloro ou maior capacidade de utilizam compostos orgânicos clorados gerados pela reacção do cloro com compostos orgânicos residuais
Figura 2. A média UwUnF (A) e (B) WUnF semelhanças em cada
local de amostragem média entre as três temporadas. As barras de erro
indicam desvios padrão. Baixa semelhanças em UwUnF e WUnF
significa menor estabilidade da comunidade bacteriana em cada amostragem
localização, enquanto semelhanças mais altos indicam associação estável e
estrutura em toda as estações do ano.
Figura 3. PCOA trama gerada usando métricas WUnF para todos os locais de amostragem para os três temporadas é mostrado no painel superior. Os painéis inferiores
mostram as três estações separadas para permitir uma melhor visualização do movimento da água da fonte até o DWDS.
Agrupamento bacteriana OTUs Com base em sua associação Filtrar com destaques de mídia a influência da água Parâmetros de qualidade. Para determinar ainda se o binning de UTOs com base na sua associação com o filtro permite decifrar de características fisiológicas, realizou-linear
regressão da abundância relativa de cada grupo em cada ponto de tempo de amostragem e local contra a qualidade da água parâmetros. A Tabela 1 mostra os coeficientes de correlação e os seus valores de significância. Entre os parâmetros de qualidade da água determinado, pH exibiu o efeito mais forte na relação abundância dos diferentes grupos. Maiores valores de pH foram mais favorável para o grupo de LC, ao passo que o grupo SC exibiu um correlação negativa com o pH. Assim, a ausência de detecção do Grupo SC em amostras postfiltration pode estar relacionada com o pH elevado de água terminou
(9,1-9,3), tornando o grupo SC concorrentes fracos na fase de água a granel em postfiltration amostras. Em contraste, a sua capacidade de sobreviver e crescer no meios de filtro pode ser devido à ocorrência de pH localizado gradientes no meio filtrante. Os grupos SC e LC também mostram correlações opostas com TOC e fosfato-P. Especificamente, o grupo LC estava presente em uma abundância relativa maior em baixa TOC e alta de fosfato-P ambientes, enquanto o SC grupo foi capaz de competir melhor na alta e baixa TOC ambientes fosfato-P. Estas observações confirmam a capacidade do grupo SC para sobreviver no filtro onde o TOC concentrações pode ser maior devido a partículas adsorvidas e as concentrações de fosfato de P-biodisponíveis podem ser inferior como o hexametafosfato (adicionado imediatamente antes da filtração primariamente como um inibidor de corrosão na DWDS) não podem ter sido discriminado ainda. Nas amostras postfiltration, o TOC As concentrações são mais baixos e a biodisponibilidade de fosfato de P- As concentrações são mais elevados devido à avaria do hexametaphosphate em ortofosfato, favorecendo, assim, a LC
grupo. Em contraste com o grupo de LC e SC, o grupo PT não apresenta correlação significativa com qualquer medida ambiental parâmetro. Isto pode indicar que as bactérias no grupo PT podem apresentar características fisiológicas altamente flexíveis ou diversas, de modo para sobreviver em baixa abundância relativa em ambos eutróficos em condições de uma fonte de águas (águas superficiais) e condições oligotróficas nos DWDS. É possível que o única razão pela qual eles não são capazes de dominar o sistema, apesar de o seu potencial de flexibilidade metabólica, é a incapacidade de colonizar o filtro através da formação de biofilme. Os coeficientes de correlação e os valores de significância para o grupo de FIV são semelhantes aos de o grupo SC. A ocorrência variável e esporádica da FIV grupo em conjunto com as suas semelhanças com o grupo SC, pode indicar que esses OTUs são remanescentes do grupo SC a partir de eventos anteriores de colonização do filtro. Esta análise mostra que parâmetros de qualidade da água desempenham um papel importante na formação do comunidades bacterianas não só em processos específicos, mas 10,38,40 Também dentro de todo o microbioma água potável. No entanto, a presença de grandes números de UTOs pode complicar o capacidade de decifrar as relações entre a qualidade da água abundância relativa de uma OTU específico, uma vez que muitos podem OTUs apresentam respostas semelhantes às mudanças na qualidade da água. Em vez, o efeito das características ambientais podem ser eficazmente determinado se o OTUs são agrupados em grupos com base sobre uma estratégia de sobrevivência ecologicamente relevantes, tais como filtro colonização, tal como apresentado no presente estudo. Esta abordagem permitiu nós para mostrar o significado dos parâmetros de qualidade à base de água na sua correlação com a abundância relativa dos quatro grupos definidos em relação à sua associação com o filtro estava na seguinte ordem: pH> TOC> fosfato-P> sulfato > Amoníaco total-N, temperatura, cloreto. Em conclusão, a capacidade do filtro para comunidade microbiana moldar a Ann Arbor microbiome água potável ea capacidade do filtro do grupo colonizador LC para dominá-lo apresenta uma possível oportunidade de ajudar a controlar e
gestão da qualidade microbiológica dos DWDS. As correlações dos parâmetros de qualidade da água com a abundância relativa de diferentes grupos de bactérias indicar claramente o operacional possibilidade de controlar a estrutura da comunidade bacteriana por alteração de parâmetros de qualidade da água. Por exemplo, pode ser possível manipular o grupo filtro colonizadora LC através várias estratégias operacionais para garantir que ele é preenchido por (1) bactérias inócuas, (2) as bactérias que possam efetivamente outcompete bactérias de risco (por exemplo, patógenos, corrosão, ou odor causando bactérias), quer no filtro ou na DWDS, ou (3) bactérias que são benéficas para a saúde humana. Além disso, o potencial para controlar os DWDS, concentrando-se no filtro faria centralizar o gerenciamento de risco em DWSS, proporcionando, assim, a potencial de redução de custos operacionais e incertezas.
Figura 4. A contribuição dos colonizadores gotejantes (LC) (preto), colonizadores rigorosos (SC) (cinza), passar por (PT) (hash cinza), e filtro
variável independente (FIV) (hash branco) grupos em direção a abundância relativa (a) e associação (B) das comunidades bacterianas em cada
local de amostragem. Os painéis C, D, e E mostram a abundância relativa média para as três estações em cada local de amostragem dos três dominante
UTOs, Acidovorax, Hydrogenophaga, e Denitratisoma, respectivamente, pertencente ao grupo colonizador gotejante. As barras de erro indicam desvios padrão
das abundâncias relativas das três estações.
Tabela 1. Análise de Regressão Linear Mostrando Coeficientes
ea significância estatística Valores para a correlação
Parâmetros entre qualidade da água e do Relativa
Abundância de cada um dos quatro grupos bacterianos definidos em
Termos de sua associação com o filtro