Characterizing fungal communities in the schmutzdecke of new and established full scale slow sand filters.

Abstract

Slow sand filters (SSF) are biofilters which utilize the metabolic potential of complex biofilms to remove contaminants, such as harmful chemicals, organic carbon and pathogenic bacteria, from drinking water. This study presents the first analysis of fungal internally transcribed spacer (ITS) sequences in samples from two newly constructed and one established SSF, all of which underwent a removal of the top layer of biofilm during the sampling period. While one of the SSFs, which was constructed using a layer of pre-adapted sand from an established SSF, retained a similar fungal community structure after the removal of the top layer, the SSF constructed using purely virgin sand and the established SSF underwent changes. The changes were distinct: while the established SSF saw an increase of members of the Rozellomycotina class of fungi, the virgin sand SSF underwent more complex changes involving Mycosphaerella tassiana. This seems to indicate a stratification of these filters, where the newly constructed SSFs have undeveloped sand communities below the top layer of biofilm, as opposed to the developed communities of the established filter. The abundance of Rozellomycotina, which are typically parasites of fungi, animals or protists, in the established filter may indicate that suitable hosts for these fungi reside deeper in the filter bed. A co-occurrence network was constructed using the ITS sequences and bacterial 16S sequences from the same samples. Combination of fungal and bacterial data yielded a more robust and interconnected network than those generated by the individual datasets, and Sphingomonas astaxanthinfaciens was identified as potentially important for the microbial ecology of the SSFs.

Popular Abstract (Swedish)

Vilka svampar renar ditt vatten?

”Renhet” kanske inte är det första ordet du kommer att tänka på när bakterier och svampar kommer på tal. Faktum är dock att dessa är viktiga i de processer som gör att ditt dricksvatten är säkert och gott. För att säkerställa dricksvattnets kvalitet används på många platser långsamfilter; bassänger fyllda med sand där många olika sorters mikroorganismer hjälper till att bryta ner farliga kemikalier och bakterier. Vilka mikroorganismer som ligger bakom fenomenet och hur de gör vattnet säkert har dock länge varit okänt. Min forskning riktar ett förstoringsglas mot de svampar som lever i långsamfilter vid Ringsjöverket, ett vattenverk som levererar dricksvatten till Lund och Malmö.
Användning av långsamfilter för att rena dricksvatten har en lång historia. Insikten att det var mikroorganismer som utförde reningen kom dock långt senare, och det är först idag vi har börjat lära oss vilka mikroorganismer som är ansvariga. Bakterier, svampar, djur och växter finns alla i långsamfilter, men vad har de för roller inom vattenreningen?
I mitt arbete har flera bioinformatiska verktyg använts för att utröna dels vilka svamporganismer som finns i tre olika långsamfilter vid Ringsjöverket, dels att försöka precisera vilka av dessa organismer som är viktigast att titta närmare på. Resultaten visar på stora skillnader mellan filtren, framför allt efter att de genomgått en procedur där de översta lagren av filtren, ett lager som kallas schmutzdecke, skrapas bort för att återställa flödet genom filterbäddarna. När det äldsta filtret skrapas verkar det avslöja en stor population av svampar inom den nyupptäckta och gåtfulla ordningen Rozellomycotina, som till stor del utgörs av parasiter på andra organismer. Det är oklart vad exakt dessa organismer parasiterar i sandfiltret, men det skulle exempelvis kunna vara amöbor som i sin tur äter potentiellt farliga organismer som Escherichia coli.
Det ena av de yngre filtren, som till stor del konstruerats med sand som skrapats från toppen av etablerade filter, bibehöll liknande svamporganismer även då det översta lagret avlägsnats, vilket tyder på att detta sätt att konstruera filter ger ett djupare lager av schmutzdecke-associerade svampar. Detta skulle också kunna vara en faktor i varför detta filter fungerar bättre än det andra av de yngre filtren, som anlades med enbart ny sand. I filtret med ny sand uppstod mer komplicerade förändringar av svampsamhällena då filtret skrapades, förmodligen till följd av att många av de svampar som kommit från det inflödande vattnet skrapas bort och inte kan ersättas av svamp från djupare ner i filtret.
Eftersom svampar inte är de enda organismer som lever i dessa långsamfilter, undersöktes även hur svampar interagerar med bakterier och arkéer. Det visade sig att svampar verkar vara viktiga för filtrens ekologi; den genomsnittliga svampen påverkar bland annat nästan 1.5 gånger så många andra organismer som den genomsnittliga bakterien. Däremot verkar flera enskilda bakterier vara väldigt inflytelserika. Sphingomonas astaxanthinifaciens, som är del av ett släkte av bakterier som tidigare visat sig vara viktig för långsamfilters funktion, var den organism som var mest inflytelserik, kanske tack vare dess förmåga att bryta ner en imponerande mängd olika ämnen. Kanske kan denna art vara en av nycklarna för att i framtiden förstå samspelet mellan långsamfiltrens funktion och ekologi.
Exakt hur långsamfilter fungerar är fortfarande höljt i dunkel, men i och med min forskning har ett ljus för första gången riktats mot svamparnas roll. Kanske kommer vi i framtiden ha full koll på hur mikroorganismer hjälper oss att göra vårt dricksvatten säkert och gott.

• author: Rosenqvist, Tage
• supervisor: Catherine Paul
• organization: Applied Microbiology
• course: KMBM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences; Technology and Engineering
• keywords: slow sand filter, ssf, långsamfilter, biofilm, fungi, Rozellomycota, co-occurrence, drinking water, applied microbiology, tillämpad biokemi
• language: English
• id: 9018310
• date added to LUP: 2020-06-18 17:56:58
• date last changed: 2020-06-18 17:56:58