Loading...
Publication
Metabolic fingerprinting of recirculating aquaculture systems: a pilot application of untargeted metabolomics to describe biological rectors
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 886.9 KB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Land-based recirculating aquaculture systems (RAS) can boost food security and environmental sustainability worldwide. In RAS, the removal of nitrogenous waste is obtained via prokaryotic biodegradation. However, the spatiotemporal metabolic dynamics of microbial communities in RAS are poorly understood. Understanding these trends can generate operational improvements. The necessity for fast and cost-effectiveness analysis suggests the employment of top-down molecular techniques. This pilot study evaluated the applicability of untargeted metabolomics to describe metabolic trends in RAS bioreactors. We compared two reactor designs, a two-stage moving bed bioreactor (MBBR) and an anaerobic batch fed sludge bioreactor (BFDR), as well as different locations within each of these (i.e., inlets vs outlets). As expected, a differentiation in metabolomic fingerprints determined by different chemo-mechanical properties was highlighted between the two bioreactors. However, contrarily to our initial hypotheses, no differentiation was found within the MBBR. Possible explanation can be identified in a vessel-wide distribution of a single microbial community, as well as in the influence of ammonia-limiting conditions and short hydraulic retention time. Unexpectedly, however, a significant differentiation was found within the BFDR, where two distinct metabolic fingerprints were recorded, inferring on the presence of a community in suspension to be further investigated. We demonstrated how metabolomics analysis can reveal RAS bioreactor metabolic dynamics and at the same time expose the unsuccessful design of specific biomechanical properties.
O emprego de sistemas de aquacultura tecnologicamente avançados em terra pode aumentar a segurança alimentar e a sustentabilidade ambiental em todo o mundo. Os Sistemas de Recirculação em Aquacultura (SRA) produzem um maior rendimento por unidade de área com um menor impacto ambiental. No SRA, os parâmetros bióticos e abióticos são controlados, o consumo de água e a ocupação de terreno são reduzidos e os resíduos valorizados. No entanto, a avançada abordagem multidisciplinar e o elevado investimento permitiram a implementação de SRA em grande escala apenas em países ricos. A reutilização da água apresenta desafios de engenharia dadas as elevadas taxas de excreção de nitrogénio e carbono na alimentação. A remoção de resíduos nitrogenados em sistemas SRA é obtida por meio da biodegradação procariótica em bioreatores. Projetos de bioreatores aplicam pressão ambiental para conduzir a seleção natural de bactérias e arqueias desejadas, enquanto maximiza a área de superfície para biofilme de bactérias e seleciona o fluxo de água adequado, a turbulência, a proporção de carbono para nitrogénio e a aeração. Os microrganismos nitrificantes são responsáveis pela oxidação do nitrogénio amoniacal tóxico (NAT) em condições aeróbicas. Em condições anaeróbicas, os quimioheterotróficos anaeróbicos gram-negativos desnitrificantes, quebram as moléculas orgânicas, reduzindo os nitratos a gás nitrogénio (N2). No entanto, a dinâmica metabólica em bioreatores é muito mais complexa e diversa e a interação, a diversidade e a dinâmica espaço-temporal das comunidades microbianas em SRA ainda são pouco compreendidas. Regulamentações ambientais recentes encorajaram a atualização de SRA convencionais com bioreatores de desnitrificação. Além de melhorar os padrões de bem-estar dos animais de cultura, a recirculação da água é aumentada em até 99% e o custo de produção é decresce em 10% por kg de pescado, por meio da redução de resíduos, remineralização de nutrientes vegetais em sistemas aquapónicos e produção de biogás. No entanto, o emprego de reatores anaeróbicos também não tem sido extenso devido à falta de pesquisas fundamentais em ecologia microbiana. A sensibilidade microbiana às mudanças ambientais requer uma gestão pontual. Embora as ferramentas moleculares de DNA tenham descrito as estruturas das comunidades, elas não são confiáveis como uma ferramenta de diagnóstico para revelar prontamente as alterações espaço-temporais em resposta ao stresse. As interações químicas entre linhagens microbianas são desconhecidas e a descoberta e caracterização de metabólitos melhoraria a capacidade operacional do processo de nitrificação-desnitrificação. A necessidade de rentabilidade e ferramentas analíticas ágeis sugere o emprego de técnicas moleculares. Recentemente, análises metabolómicas foram propostas para melhorar a gestão de águas residuais. As análises metabolómicas descrevem metabólitos, pequenas moléculas que constituem os biomarcadores mais precisos da natureza e a metabolómica não direcionada determina e compara os padrões dos sistemas em estados estacionários e perturbados. Os dados de alto rendimento requerem uma redução da dimensionalidade com estratégias de filtração específicas, enquanto as análises estatísticas identificam algumas variáveis principais resumindo completamente a complexidade geral. Até onde sabemos, a metabolómica nunca foi empregada para descrever SRA e a integração com a transcriptómica e metagenómica poderia ajudar a construir uma imagem holística da vida microbiana em bioreatores SRA. Este estudo piloto teve como objetivo avaliar a aplicabilidade da metabolómica não direcionada para descrever as tendências metabólicas em bioreatores SRA. Em 2019, a empresa Landing Aquaculture B.V. e a Universidade de Wageningen montaram um SRA semicomercial de 50 m3. O SRA foi equipado com um bioreator de leito móvel aeróbico de duas células de 10m3 (MBBR) e um reator anaeróbico de desnitrificação alimentado em lote de 1,2 m3 (BFDR). Os objetivos específicos deste estudo foram comparar os dois projetos de reator e diferentes locais dentro de cada um deles (ou seja, entradas vs saídas). Os reatores foram testados quanto à sua produção de diferentes identidades metabólicas: o reator aeróbico foi testado para sua capacidade de produzir identidades metabólicas específicas da célula, enquanto o reator anaeróbico era esperado desenvolver um único metaboloma. A cromatografia líquida - espectrometria de massa (LCMS) foi empregada com a plataforma analítica Quadrupole ExactivePlus Orbitrap Fourier Transformation e o fluxo de trabalho do software MetAlign-MSClust para a formação de identidades. Uma estratégia de filtração foi desenvolvida ad hoc e quatro multivariadas não supervisionadas projeções foram aplicadas para destacar a relação entre e dentro dos reatores. A diferenciação estatística global foi testada com PERMANOVA e testes de pares post hoc compararam os locais das amostras. No total, foram detetados 243.356 sinais no modo de ionização positiva e 89.870 sinais no modo de ionização negativa. Os compostos não foram anotados ou quantificados por métodos padrão, mas 23 compostos foram identificados com base na massa precisa dos iões moleculares presumidos. O MBBR resultou em uma identidade metabólica homogénea, enquanto o BFDR foi diferenciado em dois grupos distintos de metabolitos não sobrepostos. O teste de PERMANOVA confirmou a diferenciação global em todo o conjunto de dados (P <0,001). Todas as comparações de pares de grupos foram significativas, exceto para a comparação entre a entrada e a saída do MBBR (P = 0,4230). As análises metabolómicas foram bem-sucedidas na representação das diferentes identidades metabólicas entre e dentro de dois designs exclusivos de bioreatores SRA. Os resultados afirmam a sensibilidade do LCMS não direcionado, que rejeitou a hipótese inicial determinada por projetos biomecânicos seletivos. O MBBR de 2 células se comportou como um recipiente totalmente misturado. A possível explicação pode ser identificada em uma distribuição em todo o vaso de uma única comunidade microbiana. Simultaneamente, o BFDR foi caracterizado por dois metabolomas altamente distintos, inferindo sobre a presença de uma comunidade em suspensão a ser investigada. Neste trabalho foi demonstrado como a análise metabolómica pode expor a dinâmica metabólica do bioreator e potencialmente se tornar uma ferramenta de sucesso para observar as diferenças quando as alterações do sistema são aplicadas. Ao mesmo tempo, a metabolómica pode revelar, como mostrado aqui, a falta de sucesso na designação de propriedades biomecânicas específicas. A metodologia proposta oferece a oportunidade de executar análises metabolómicas rápidas e económicas para descrever as tendências metabólicas dos bioreatores.
O emprego de sistemas de aquacultura tecnologicamente avançados em terra pode aumentar a segurança alimentar e a sustentabilidade ambiental em todo o mundo. Os Sistemas de Recirculação em Aquacultura (SRA) produzem um maior rendimento por unidade de área com um menor impacto ambiental. No SRA, os parâmetros bióticos e abióticos são controlados, o consumo de água e a ocupação de terreno são reduzidos e os resíduos valorizados. No entanto, a avançada abordagem multidisciplinar e o elevado investimento permitiram a implementação de SRA em grande escala apenas em países ricos. A reutilização da água apresenta desafios de engenharia dadas as elevadas taxas de excreção de nitrogénio e carbono na alimentação. A remoção de resíduos nitrogenados em sistemas SRA é obtida por meio da biodegradação procariótica em bioreatores. Projetos de bioreatores aplicam pressão ambiental para conduzir a seleção natural de bactérias e arqueias desejadas, enquanto maximiza a área de superfície para biofilme de bactérias e seleciona o fluxo de água adequado, a turbulência, a proporção de carbono para nitrogénio e a aeração. Os microrganismos nitrificantes são responsáveis pela oxidação do nitrogénio amoniacal tóxico (NAT) em condições aeróbicas. Em condições anaeróbicas, os quimioheterotróficos anaeróbicos gram-negativos desnitrificantes, quebram as moléculas orgânicas, reduzindo os nitratos a gás nitrogénio (N2). No entanto, a dinâmica metabólica em bioreatores é muito mais complexa e diversa e a interação, a diversidade e a dinâmica espaço-temporal das comunidades microbianas em SRA ainda são pouco compreendidas. Regulamentações ambientais recentes encorajaram a atualização de SRA convencionais com bioreatores de desnitrificação. Além de melhorar os padrões de bem-estar dos animais de cultura, a recirculação da água é aumentada em até 99% e o custo de produção é decresce em 10% por kg de pescado, por meio da redução de resíduos, remineralização de nutrientes vegetais em sistemas aquapónicos e produção de biogás. No entanto, o emprego de reatores anaeróbicos também não tem sido extenso devido à falta de pesquisas fundamentais em ecologia microbiana. A sensibilidade microbiana às mudanças ambientais requer uma gestão pontual. Embora as ferramentas moleculares de DNA tenham descrito as estruturas das comunidades, elas não são confiáveis como uma ferramenta de diagnóstico para revelar prontamente as alterações espaço-temporais em resposta ao stresse. As interações químicas entre linhagens microbianas são desconhecidas e a descoberta e caracterização de metabólitos melhoraria a capacidade operacional do processo de nitrificação-desnitrificação. A necessidade de rentabilidade e ferramentas analíticas ágeis sugere o emprego de técnicas moleculares. Recentemente, análises metabolómicas foram propostas para melhorar a gestão de águas residuais. As análises metabolómicas descrevem metabólitos, pequenas moléculas que constituem os biomarcadores mais precisos da natureza e a metabolómica não direcionada determina e compara os padrões dos sistemas em estados estacionários e perturbados. Os dados de alto rendimento requerem uma redução da dimensionalidade com estratégias de filtração específicas, enquanto as análises estatísticas identificam algumas variáveis principais resumindo completamente a complexidade geral. Até onde sabemos, a metabolómica nunca foi empregada para descrever SRA e a integração com a transcriptómica e metagenómica poderia ajudar a construir uma imagem holística da vida microbiana em bioreatores SRA. Este estudo piloto teve como objetivo avaliar a aplicabilidade da metabolómica não direcionada para descrever as tendências metabólicas em bioreatores SRA. Em 2019, a empresa Landing Aquaculture B.V. e a Universidade de Wageningen montaram um SRA semicomercial de 50 m3. O SRA foi equipado com um bioreator de leito móvel aeróbico de duas células de 10m3 (MBBR) e um reator anaeróbico de desnitrificação alimentado em lote de 1,2 m3 (BFDR). Os objetivos específicos deste estudo foram comparar os dois projetos de reator e diferentes locais dentro de cada um deles (ou seja, entradas vs saídas). Os reatores foram testados quanto à sua produção de diferentes identidades metabólicas: o reator aeróbico foi testado para sua capacidade de produzir identidades metabólicas específicas da célula, enquanto o reator anaeróbico era esperado desenvolver um único metaboloma. A cromatografia líquida - espectrometria de massa (LCMS) foi empregada com a plataforma analítica Quadrupole ExactivePlus Orbitrap Fourier Transformation e o fluxo de trabalho do software MetAlign-MSClust para a formação de identidades. Uma estratégia de filtração foi desenvolvida ad hoc e quatro multivariadas não supervisionadas projeções foram aplicadas para destacar a relação entre e dentro dos reatores. A diferenciação estatística global foi testada com PERMANOVA e testes de pares post hoc compararam os locais das amostras. No total, foram detetados 243.356 sinais no modo de ionização positiva e 89.870 sinais no modo de ionização negativa. Os compostos não foram anotados ou quantificados por métodos padrão, mas 23 compostos foram identificados com base na massa precisa dos iões moleculares presumidos. O MBBR resultou em uma identidade metabólica homogénea, enquanto o BFDR foi diferenciado em dois grupos distintos de metabolitos não sobrepostos. O teste de PERMANOVA confirmou a diferenciação global em todo o conjunto de dados (P <0,001). Todas as comparações de pares de grupos foram significativas, exceto para a comparação entre a entrada e a saída do MBBR (P = 0,4230). As análises metabolómicas foram bem-sucedidas na representação das diferentes identidades metabólicas entre e dentro de dois designs exclusivos de bioreatores SRA. Os resultados afirmam a sensibilidade do LCMS não direcionado, que rejeitou a hipótese inicial determinada por projetos biomecânicos seletivos. O MBBR de 2 células se comportou como um recipiente totalmente misturado. A possível explicação pode ser identificada em uma distribuição em todo o vaso de uma única comunidade microbiana. Simultaneamente, o BFDR foi caracterizado por dois metabolomas altamente distintos, inferindo sobre a presença de uma comunidade em suspensão a ser investigada. Neste trabalho foi demonstrado como a análise metabolómica pode expor a dinâmica metabólica do bioreator e potencialmente se tornar uma ferramenta de sucesso para observar as diferenças quando as alterações do sistema são aplicadas. Ao mesmo tempo, a metabolómica pode revelar, como mostrado aqui, a falta de sucesso na designação de propriedades biomecânicas específicas. A metodologia proposta oferece a oportunidade de executar análises metabolómicas rápidas e económicas para descrever as tendências metabólicas dos bioreatores.
Description
Keywords
SRA Bioreatores MBBR BFDR Metabolómica não direcionada Comunidade microbiana Identidade metabólica