Abstract Microbial communities are responsible for biological wastewater treatment, but our knowledge of their diversity and function is still poor. Here, we sequence more than 5 million high-quality, full-length 16S rRNA gene sequences from 740 wastewater treatment plants (WWTPs) across the world and use the sequences to construct the ‘MiDAS 4’ database. MiDAS 4 is an amplicon sequence variant resolved, full-length 16S rRNA gene reference database with a comprehensive taxonomy from domain to species level for all sequences. We use an independent dataset (269 WWTPs) to show that MiDAS 4, compared to commonly used universal reference databases, provides a better coverage for WWTP bacteria and an improved rate of genus and species level classification. Taking advantage of MiDAS 4, we carry out an amplicon-based, global-scale microbial community profiling of activated sludge plants using two common sets of primers targeting regions of the 16S rRNA gene, revealing how environmental conditions and biogeography shape the activated sludge microbiota. We also identify core and conditionally rare or abundant taxa, encompassing 966 genera and 1530 species that represent approximately 80% and 50% of the accumulated read abundance, respectively. Finally, we show that for well-studied functional guilds, such as nitrifiers or polyphosphate-accumulating organisms, the same genera are prevalent worldwide, with only a few abundant species in each genus.

Abstract Biological wastewater treatment and an increased focus on resource recovery is fundamental for environmental protection, human health, and sustainable development. Microbial communities are responsible for these processes, but our knowledge of their diversity and function is still poor, partly due to the lack of good reference databases and comprehensive global studies. Here, we sequenced more than 5 million high-quality, full-length 16S rRNA gene sequences from 740 wastewater treatment plants (WWTPs) across the world and used the sequences to construct MiDAS 4, a full-length amplicon sequence variant resolved 16S rRNA gene reference database with a comprehensive taxonomy from the domain to species-level for all references. Using a study-independent amplicon dataset from the Global Water Microbiome Consortium project (269 WWTPs), we showed that the MiDAS 4 database provides much better coverage for bacteria in WWTPs worldwide compared to commonly applied universal references databases, and greatly improved the rate of genus and species-level classification. Hence, MiDAS 4 provides a unifying taxonomy for the majority of prokaryotic diversity in WWTPs globally, which can be used for linking microbial identities with their functions across studies. Taking advantage of MiDAS 4, we carried out an amplicon-based, global-scale microbial community profiling of activated sludge plants using two common sets of primers targeting the V1-V3 and V4 region of the 16S rRNA gene. We found that the V1-V3 primers were generally best suited for this ecosystem, and revealed how environmental conditions and biogeography shape the activated sludge microbiota. We also identified process-critical taxa (core and conditionally rare or abundant taxa), encompassing 966 genera and 1530 species. These represented approximately 80% and 50% of the accumulated read abundance, respectively, and represent targets for further investigations. Finally, we showed that for well-studied functional guilds, such as nitrifiers or polyphosphate accumulating organisms, the same genera were prevalent worldwide, with only a few abundant species in each genus.

Abstract Anaerobic digestion of organic waste into methane and carbon dioxide (biogas) is carried out by complex microbial communities. Here, we use full-length 16S rRNA gene sequencing of 285 full-scale anaerobic digesters (ADs) to expand our knowledge about diversity and function of the bacteria and archaea in ADs worldwide. The sequences are processed into full-length 16S rRNA amplicon sequence variants (FL-ASVs) and are used to expand the MiDAS 4 database for bacteria and archaea in wastewater treatment systems, creating MiDAS 5. The expansion of the MiDAS database increases the coverage for bacteria and archaea in ADs worldwide, leading to improved genus- and species-level classification. Using MiDAS 5, we carry out an amplicon-based, global-scale microbial community profiling of the sampled ADs using three common sets of primers targeting different regions of the 16S rRNA gene in bacteria and/or archaea. We reveal how environmental conditions and biogeography shape the AD microbiota. We also identify core and conditionally rare or abundant taxa, encompassing 692 genera and 1013 species. These represent 84–99% and 18–61% of the accumulated read abundance, respectively, across samples depending on the amplicon primers used. Finally, we examine the global diversity of functional groups with known importance for the anaerobic digestion process.

Abstract Anaerobic digestion represents a key biotechnology for the transformation of organic waste into renewable energy (biogas) and relies on complex microbial communities that work in concert to degrade the complex substrates into methane and carbon dioxide. Here, we sequenced more than half a million high-quality, full-length 16S rRNA gene sequences from 285 full-scale anaerobic digesters (ADs) across the world to expand our knowledge about diversity and function of the bacteria and archaea in ADs. The sequences were processed into full-length 16S rRNA amplicon sequence variants (FL-ASVs), which were added to the MiDAS 4 database for bacteria and archaea in wastewater treatment systems to create ‘MiDAS 5’. The expansion of the MiDAS database significantly increased the coverage for bacteria and archaea in ADs worldwide, leading to an improved rate of genus and species-level classification. Using MiDAS 5, we carried out an amplicon-based, global-scale microbial community profiling of the sampled ADs using three common sets of primers targeting different regions of the 16S rRNA gene in bacteria and/or archaea. We revealed how environmental conditions and biogeography shape the AD microbiota. We also identify core and conditionally rare or abundant taxa, encompassing less than 1000 genera and species. These represent 83-99% and 10-64% of the accumulated read abundance respectively, across samples depending on the amplicon primers used. Finally, we examined the global diversity of functional groups with known importance for the anaerobic digestion process. Our online global MiDAS Field Guide presents the data generated in this study and summarizes present knowledge about all taxa.