Microbial Community Profiling of Biodegradable Municipal Solid Waste Treatments : Aerobic Composting and Anaerobic Digestion

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0217-1
Title: Microbial Community Profiling of Biodegradable Municipal Solid Waste Treatments : Aerobic Composting and Anaerobic Digestion
Author: Yu, Dan
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-10-10
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0217-1
http://hdl.handle.net/10138/135935
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: An enormous quantity of solid waste is generated annually all over the world. Solid waste can be divided into three main categories: municipal waste, industrial waste and agricultural waste. The focus of the research presented in this thesis was on the biodegradable fraction of municipal solid waste (MSW), and particularly on the biowaste and sewage sludge generated in the Nordic countries. In general, there are two major options for processing biodegradable MSW in a sustainable manner: aerobic treatment (e.g. composting) and anaerobic treatment (e.g. anaerobic digestion). The key interest of this study was in analysing the microbial community composition in composting and anaerobic co-digestion using various types of biodegradable MSW as feedstock. In addition, the aims of this study were to: 1) understand the connections between the microbial communities and the capacities of disease-suppressive composts against the soil-borne plant pathogens Pythium and Fusarium; 2) investigate the effects of pH and microbial composition on odour emission in biowaste composting in Nordic countries; 3) study the connections between microbial communities and the key methanogenesis intermediates under various conditions (e.g. temperature, OLR) in the anaerobic digestion process; and 4) find a functional compromise between the waste treatment capacity of anaerobic digestion, biogas production and a stable microbial community. To achieve the above-mentioned goals, DNA-based microbiological techniques (e.g. DNA extraction, PCR, qPCR, DGGE and cloning) and sequencing techniques (i.e. Sanger sequencing and high-throughput pyrosequencing) were applied. The results are summarized in five articles/manuscripts enclosed with this thesis. Studies on composting (articles I IV) illustrated that the microbial communities were abundant and diverse, with Proteobacteria and Ascomycota as the dominant bacterial and fungal candidates, respectively. The presence of bacterial Acidobacteria Gp14 and fungal Cystobasidiomycetes in Pythium-suppressive composts indicated their possible roles in the suppression of Pythium wilt disease (article I). Actinobacterium and non-pathogenic relatives of the pathogen Fusarium may suppress Fusarium disease on tomato plants (article II). In food waste composting (articles III and IV), results indicated that LAB (e.g. Lactobacillus) together with Clostridia were responsible for the high odour emission in the studied composts. The results suggest that a potential odour reduction strategy would be to rapidly overcome the low pH phase through high initial aeration rates and the use of additives such as bulking material, as well as pre-treatment of the composting feedstock in anaerobic digestion. A study on anaerobic digestion (article V) demonstrated a rather limited methanogenic archaeal community that was dominated by Methanobacteriales and Methanosarcina in both meso- and thermophilic processes, even with Methanothermobacter as an additional abundant genus in the thermophilic production cycle. Key factors such as the acetate concentration and OLR, as well as substrates such as propionate apparently contributed to the dominance of Methanosarcina. Biogas production was greater in the thermophilic process; when the OLR increased to 5 kg VS m-3 d-1, the efficiency maximum was reached. The microbial groups within the microbial community usually remain largely unexplored. In this thesis, the key microbial candidates that are involved in plant disease suppression, composting odour emission and anaerobic co-digestion were revealed. As the rapid progress of high-throughput sequencing approaches continues, better coverage of the microbial community will be achieved.Joka vuosi tuotetaan kaikkialla maailmassa valtavia määriä kiinteää jätettä. Kiinteä jäte voidaan jakaa kolmeen pääkategoriaan, yhdyskuntajäte, teollisuusjäte ja maatalousjäte. Tässä tutkinnossa esiteltävän tutkimuksen pääkohde on kiinteän yhdyskuntajätteen biohajoava osuus, erityisesti Pohjoismaissa tuotettu biojäte ja jätevesiliete. Yleisesti ottaen, biojätteen kestävälle käsittelylle on kaksi pääasiallista käsittelyvaihtoehtoa: hapellinen käsittely, kuten kompostointi, ja hapeton käsittely, kuten anaerobinen hajotus. Tämän tutkielman kiinnostuksen pääasiallinen kohde on kompoistoinnin ja anaerobikäsittelyn mikrobiyhteisöjen koostumus, käsiteltäessä erityyppisiä biohajoavia jätteitä. Lisäksi tavoitteinä oli: 1) ymmärtää kasvitautia ehkäisevän kompostin mikrobiyhteisön yhteyttä toimivaan maalevitteisten patogeenien Pythium ja Fusarium torjuntaan; 2) tutkia pH:n ja mikrobikoostumuksen yhteyttä biojätteen kompostoinnin hajupäästöjen syntyyn Pohjoismaissa; 3) tutkia anaerobiprosessin mikrobikoostumuksen ja metanogeneesin välituotteiden yhteyttä vaihtelevissa olosuhteissa (eri lämpötiloissa ja orgaanisen aineksen kuormituksessa); 4) löytää toimiva jätteidenkäsittelykapasiteetin, biokaasutuotannon ja vakaan mikrobiston välinen kompromissi. Tavoitteiden saavuttamiseksi käytettiin DNA peräisiä mikrobiologisia tekniikoita (mm. DNA uuttoa, PCR, qPCR, DGGE ja kloonaus) sekä sekvensointia (Sanger-sekvenointia ja tehokasta pyrosekvensointia). Tulokset on esitelty viidessä julkaisussa/käsikirjoituksessa, jotka sisältyvät tähän tutkielmaan. Kompostointia koskevat tutkimukset (osajulkaisut I-IV) osoittavat että mikrobisto oli hyvin runsasta ja monimuotoista, Proteobakteerien ja Ascomycota-sienten ollessa dominoivia bakteereja ja sieniä. Bakteerin Acidobacteria Gp14 ja sienen Cystobasidiomycetes esiintyminen vain Pythium tautia ehkäisevissä komposteissa indikoi niiden mahdollista roolia tautiehkäisyssä (osajulkaisu I). Aktinobakteerit ja Fusarium patogeenin eipatogeeniset sukulaiset saattavat ehkäistä Fusariumin aiheuttamaa tautia tomaatissa (osajulkaisu II). Ruokajätteen kompostoinnissa (osajulkaisut III ja IV) tulokset viittaavat maitohappobakteerien (mm. Lactobacillus) yhdessä Clostridiumin kanssa aiheuttavan korkeita hajupäästöjä tutkituissa komposteissa. Tuloksista voi päätellä että matalan pH:n nopea nosto, joko alkuvaiheen tehokkaalla ilmansyötöllä, tai käyttämällä sopivaa seosainetta, tai vaihtoehtoisesti, aloittamalla prosessi jätteen anaerobisella esikäsittelyllä, voitaisiin päästä matalampiin hajupäästöihin. Anaerobista hajotusta käsittelevä tutkimus (osajulkaisu V) viittaa varsin suppeaan metanogeenisten arkkien yhteisöön. Tätä yhteisöä dominoivat, sekä mesofiilisissä että termofiilisissä prosesseissa, Methanobacteriales ja Methanosarcina, joskin termofiilisessa prosessissa myös Methanothermobacter oli yleinen. Tekijät, kuten asetaatin pitoisuus, orgaanisen aineksen syöttönopeus, sekä propionaatti prosessin substraattina ilmeisesti edesauttoivat Metanosarcinan yleistymistä. Biokaasun muodostus oli suurempi termofiilisessa prosessissa, ja syöttönopeuden ollessa 5 kg orgaanista ainesta per kuutiometri per päivä biokaasun muodostus oli maksimissaan. Mikrobiyhteisön mikrobisyhmät jäävät usein tarkemmin tutkimatta. Tässä tutkielmassa kasvitaudin ehkäisyn, kompostoinnin hajupäästöjen, ja anaerobikäsittelyn avainmikrobit, tai sellaisiksi ehdotetut mikrobit tunnistettiin. Nopeiden sekvensointitekniikoiden kehittyessa yhä tehokkaammiksi mikrobiyhteisöjen yhä kattavampi ja tarkempi tunnistus tulee olemaan mahdollista.
Subject: environmental ecology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
microbia.pdf 787.6Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record