Genome-scale modeling of cyanobacteria from a slow sand filter in drinking water treatment

Abstract

Cyanobacteria are involved in nutrient cycling on global, ecosystem, and community scales by producing carbon sources for other organisms. However, recent studies indicate that their role might be more complex. In addition to primary production, many cyanobacteria can also consume carbon sources and secrete fermentation products, thereby impacting interactions with surrounding heterotrophic bacteria.

In slow sand filters for drinking water production, inter-species interactions have been suggested to increase cyanobacterial growth, which in turn may cause clogging in the filters. Elucidating the nature of these cyanobacterial interactions can therefore contribute to more efficient operation of slow sand filters. This study aimed to investigate the metabolism and interactions of cyanobacteria isolated from slow sand filters by constructing a genome-scale model. The model made several predictions which support theories on unique cyanobacterial metabolism under photoautotrophic, heterotrophic and anaerobic conditions. The predictions include the use of a truncated TCA cycle during photoautotrophic growth, the importance of a complete TCA cycle in producing NADPH during dark heterotrophic growth, and the involvement of phosphoketolase in acetate fermentation. Furthermore, the model predicted that the cyanobacterial isolates can secrete fermentation products and consume glucose, results with implications for cross-feeding interactions in the slow sand filters.

While the model is essentially restricted to analyzing carbon metabolism due to poor characterization of cyanobacterial genes, the model is expected to be accurate for more conserved pathways. Glucose consumption was validated experimentally, providing some proof that the model’s predictions of carbon metabolism are accurate. There exist relatively few genome-scale models of cyanobacteria, and even fewer of non-model species. Furthermore, the strains used here represent the first known cyanobacterial isolates from slow sand filters. The genome-scale model therefore presents a novel tool to study the interactions of cyanobacteria in slow sand filters.

Popular Abstract (Swedish)

Långsamfilter hjälper till att rena dricksvatten, men när cyanobakterier blommar upp kan de täppa till filtren och störa vattenreningen. Detta projekt ger nya insikter om vad som får cyanobakterierna att blomma i långsamfilter—vi vet nu att de kan växa på socker och att de kanske kan släppa ut fermenteringsämnen. Den vanliga uppfattningen är att cyanobakterier bara bedriver fotosyntes och fixerar koldioxid, men detta projekt visar att den bilden inte är helt sann.

I långsamfilter i vattenverk ska kolföreningar renas bort. Dessa föreningar bryts ned av bakterier som växer naturligt i filtren. Här finns också cyanobakterier, fotosyntetiserande organismer som likt växter binder koldioxid. Cyanobakterierna i långsamfilter producerar socker och syre som gynnar de andra bakterierna och kan därmed bidra till ökad reningseffekt. Men under vissa förutsättningar kan cyanobakteriernas tillväxt öka kraftigt och orsaka algblomning, vilket täpper till filtren så att de måste renas oftare och i värsta fall bidra med cyanotoxiner. Genom att undersöka cyanobakterier och deras interaktioner i långsamfilter skulle man kunna lista ut vad som orsakar algblomning, för att i sin tur förbättra filtrens effekt.

Ett sätt att undersöka bakteriers interaktioner är med hjälp av genome-scale modeling, eller modeller som kan räkna ut som vilka ämnen som tas upp och släpps ut av bakterier samt hur de omsätts. Ett användningsområde är att undersöka ämnesomsättning under olika förhållanden, t.ex. tillgång till solljus eller brist på syre. Fördelen med modellen är att slippa många tidskrävande mätningar av cyanobakteriernas tillväxt, istället kan man undersöka många förhållanden snabbt och upptäcka vilka som är intressanta att mäta.

I detta projekt har vi byggt en modell av cyanobakterier från ett långsamfilter i vattenverket Ringsjöverket. Modellen förutspår att cyanobakterierna kan konsumera socker under natten när de inte kan bedriva fotosyntes, samt att de kan släppa ut fermenteringsämnen när det råder syrebrist. Dessa upptäckter kan ha betydelse för interaktioner i sandfiltren. Det är nämligen möjligt att cyanobakterier kan tävla med andra bakterier om socker, konsumera kolföreningar som andra bakterier släpper ut, eller att andra bakterier konsumerar cyanobakteriers fermenteringsämnen. I sandfiltren kan det betyda att cyanobakterier deltar i många interaktioner som både kan gynna rening och orsaka algblomning. Många frågor återstår, inte minst för att bekräfta modellens förutsägelser, men detta projekt tar oss ett steg närmare att förstå cyanobakteriers påverkan på långsamfilter inom vattenverk.

• author: Häussermann, Agnes
• supervisor: Iria Feijóo Rey; Catherine Paul
• organization: Applied Microbiology
• course: KMBM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Biology and Life Sciences
• keywords: genome-scale model, cyanobacteria, slow sand filters, drinking water treatment, cross-feeding, applied microbiology
• language: English
• id: 9201208
• date added to LUP: 2025-06-23 15:32:06
• date last changed: 2025-06-23 15:32:06