Investigating bacterial communities in marine sediment to assess impact of waste water effluent

Abstract

16S-bacterial data have been examined to evaluate the microbial community in ocean sediment along the coast of Helsingborg. Routine measurements of Escherichia coli (E. coli) in waters near recreational beaches in Helsingborg have been above the safe limit during several summers, even during dry conditions (such was the case in summer 2018). Stormwater, which previously have been the suspected main source of E. coli and other faecal-associated microorganisms, cannot be the only source the evidence suggests. Sampling has been performed on three occasions, March 2019, August 2019 and March 2020, and the 2019-data is examined in this thesis. This study’s focus have laid in finding a strategy for adjusting sequencing data that have been produced in different labs, as this can introduce large variation. A script has been written in the programming language R, which takes the results from a differential expression analysis (i.e. extracts the significant differences) and applies it to the abundances in affected amplicon sequence variants (ASV). The R-script adjusted the August-data, and subsequently a comparison between the March-data and the August-data could be performed to evaluate seasonal differences of the microbiomes. The microbiome data for these two different seasons have been compared, and it has been investigated whether a nearby wastewater treatment-plant (WWTP) has affected the natural community.

Popular Abstract (Swedish)

2020-talet är här, och efterfrågan på lokala och säkra rekreationsställen är större än någonsin, särskilt under sommarhalvåret då många vill svalka sig, exempelvis i havet. För att kommuner och städer ska kunna erbjuda öppna stränder för sina medborgare krävs då att deras säkerhet regelbundet sätts på prov, och på just havsvatten brukar man söka efter bl.a. bakterien Escherichia coli (E.coli). Just E. coli är intressant då detta är en bakterie med känd association till avföring ifrån fåglar och djur (även människor). Nedanför Pålsjö-skog i Helsingborg leds ett rör med stormvatten ut i Öresund, och det har därför varit en hypotes att fågel-avföring till stor del varit en källa till E. coli i de närliggande strändernas vatten. Detta förändrades under sommaren 2018, då E. coli-bakterier upptäcktes i badvatten i Helsingborg, trots brist på regn och avrinningsvatten. Eftersom inget stormvatten leddes ut i Öresund, tyder bevisen från 2018 på att en annan källa måste existera. E. coli kan upptäckas med enkla laboratorietester, och därför kan koncentrationer av denna bakterie i vatten användas för att testa för kontaminering med fekal förorening. Om halterna av E. coli i vattnet är höga krävs enligt lag att stränder stängs för bad för att skydda badare.
Medan E. coli kan resa tillsammans med patogener, finns det också andra bakterier ifrån samma källa i vattnet som bidrar till föroreningen. En källa som föreslogs för E. coli-bakterierna som upptäcktes i Helsingborg 2018 var utflödet från ett reningsverk. Om detta utflöde tillförde E. coli i sedimenten på botten av Öresund, kan störningar av dessa sediment, till exempel av vind, förändringar i flöde eller lokala störningar på grund av sjöfart, blanda upp bakterierna från sedimenten i vattnet. Om denna sediment-vattenblandning, inklusive E. coli, nådde stränderna skulle den upptäckas vid rutinmässig vattentestning.
I denna studie testades sediment från Helsingborgs kust, inklusive de runt utloppspunkterna för två olika rör för att se om de innehöll några levande E. coli-bakterier. Det ena röret släpper ut avloppsvatten från en reningsanläggning för avloppsvatten, och den andra släpper stormvatten ut i Öresund. I slutet av vintern 2019 innehöll sediment från nära stränderna eller stormvattenledningen inga E. coli-bakterier. Ju närmare sedimentet var avloppsröret för avloppsvatten, desto mer E. coli innehöll de. DNA-sekvensering visade att sedimenten innehållande E. coli också innehöll bakterier från behandlat och obehandlat avlopp. Detta antydde starkt att avloppsvattnet från reningsanläggningen tillsatte bakterier från avlopp, inklusive E. coli, i de naturliga sedimenten i Öresund. En andra undersökning genomfördes på sensommaren 2019 för att avgöra om E. coli var närvarande i sediment under badsäsongen. Antalet E. coli som upptäcktes i sediment närmast avloppsrörets utlopp var lägre än på vintern och E. coli upptäcktes nu också i sediment närmare stränderna, och nära ett utlopp från ett stormvattenrör. Medan antalet E. coli på enskilda platser hade minskat jämfört med vintern, var de nu mer utspridda längs Helsingborgs kust.
DNA-sekvenseringen visade att dessa sediment också innehöll bakterier från behandlat och obehandlat avloppsvatten. Detta tyder starkt på att avloppsvatten från reningsanläggningen tillsatte E. coli och andra bakterier i dessa sediment. Medan resuspension av dessa sediment i vattnet kan vara källan till E. coli som upptäcks på stränderna, är det viktigt att notera att det inte finns några bevis i den aktuella studien att dessa sediment är källan till bakterier som detekteras i badvatten. Undersökning av alla bakterier i badvatten med DNA-sekvensering och förståelse om och hur stört sediment, och E. coli och andra bakterier som de innehåller, kan transporteras till stränderna längs denna kust krävs innan specifika strategier för att åtgärda problemet kan föreslås.

• author: Frank, Ellinor
• supervisor: Catherine Paul
• organization: Applied Microbiology
• alternative title: Undersökning av bakteriella samhällen i urbana sediment för att bedöma påverkan ifrån närliggande avloppsreningsverk
• course: KMBM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences; Technology and Engineering
• keywords: Bioinformatics, Microbiology, Bacterial communities, Applied microbiology, Teknisk mikrobiologi
• language: English
• id: 9023191
• date added to LUP: 2020-07-02 10:41:22
• date last changed: 2020-07-02 10:41:22