As global temperatures rise, large amounts of carbon sequestered in permafrost are becoming available for microbial degradation. Accurate prediction of carbon gas emissions from thawing permafrost is limited by our understanding of these microbial communities. Here we use metagenomic sequencing of 214 samples from a permafrost thaw gradient to recover 1,529 metagenome-assembled genomes, including many from phyla with poor genomic representation. These genomes reflect the diversity of this complex ecosystem, with genus-level representatives for more than sixty per cent of the community. Meta-omic analysis revealed key populations involved in the degradation of organic matter, including bacteria whose genomes encode a previously undescribed fungal pathway for xylose degradation. Microbial and geochemical data highlight lineages that correlate with the production of greenhouse gases and indicate novel syntrophic relationships. Our findings link changing biogeochemistry to specific microbial lineages involved in carbon processing, and provide key information for predicting the effects of climate change on permafrost systems.

Abstract Members of the genus Dechloromonas are often abundant in enhanced biological phosphorus removal (EBPR) systems and are recognized putative polyphosphate accumulating organisms (PAOs), but their role in phosphate (P) removal is still unclear. Here, we used 16S rRNA gene sequencing and fluorescence in situ hybridization (FISH) to investigate the abundance and distribution of Dechloromonas spp. in Danish wastewater treatment plants. Two species were abundant, novel, and uncultured, and could be targeted by existing FISH probes. Raman microspectroscopy of probe-defined organisms (FISH-Raman) revealed the levels and dynamics of important intracellular storage polymers in abundant Dechloromonas spp. in the activated sludge from four full-scale EBPR plants and from a lab-scale sequencing batch reactor fed with different carbon sources (acetate, glucose, glycine, and glutamate). Moreover, 7 distinct Dechloromonas species were determined from a set of 10 high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) from Danish EBPR plants, each encoding the potential for poly-P, glycogen, and polyhydroxyalkanoates (PHA) accumulation. The two most abundant species exhibited an in situ phenotype in complete accordance with the metabolic information retrieved by the MAGs, with dynamic levels of poly-P, glycogen, and PHA during feast-famine anaerobic-aerobic cycling, legitimately placing these microorganisms among the important PAOs. As no isolates are available for the two species, we propose the names Candidatus Dechloromonas phosphatis and Candidatus Dechloromonas phosphovora.

Abstract Candidatus Accumulibacter was the first microorganism identified as a polyphosphate-accumulating organism (PAO), important for phosphorus removal from wastewater. This genus is diverse, and the current phylogeny and taxonomic framework appears complicated, with the majority of publicly available genomes classified as “ Candidatus Accumulibacter phosphatis”, despite notable phylogenetic divergence. The ppk1 marker gene allows for a finer scale differentiation into different “types” and “clades”, nevertheless taxonomic assignments remain confusing and inconsistent across studies. Therefore, a comprehensive re-evaluation is needed to establish a common understanding of this genus, both in terms of naming and basic conserved physiological traits. Here, we provide this re-assessment using a comparison of genome, ppk1 , and 16S rRNA gene-based approaches from comprehensive datasets. We identified 15 novel species, along with the well-known Ca . A. phosphatis, Ca . A. deltensis and Ca . A. aalborgensis. To compare the species in situ , we designed new species-specific FISH probes and revealed their morphology and arrangement in activated sludge. Based on the MiDAS global survey, Ca . Accumulibacter species were widespread in WWTPs with phosphorus removal, indicating the process design as a major driver for their abundance. Genome mining for PAO related pathways and FISH-Raman microspectroscopy confirmed the potential for the PAO metabolism in all Ca . Accumulibacter species, with detection in situ of the typical PAO storage polymers. Genome annotation further revealed fine-scale differences in the nitrate/nitrite reduction pathways. This provides insights into the niche differentiation of these lineages, potentially explaining their coexistence in the same ecosystem while contributing to overall phosphorus and nitrogen removal. Importance Candidatus Accumulibacter is the most studied PAO organism, with a primary role in biological nutrient removal. However, the species-level taxonomy of this lineage is convoluted due to the use of different phylogenetic markers or genome sequencing. Here, we redefined the phylogeny of these organisms, proposing a comprehensive approach which could be used to address the classification of other diverse and uncultivated lineages. Using genome-resolved phylogeny, compared to 16S rRNA gene- and other phylogenetic markers phylogeny, we obtained a higher resolution taxonomy and established a common understanding of this genus. Furthermore, genome mining of gene and pathways of interest, validated in situ by application of a new set of FISH probes and Raman micromicrospectroscopy, provided additional high-resolution metabolic insights into these organisms.

Most aerated cave ecosystems are assumed to be oligotrophic given they receive minimal inputs of light energy. Diverse microorganisms have nevertheless been detected within caves, though it remains unclear what strategies enable them to meet their energy and carbon needs. Here we determined the processes and mediators of primary production in aerated limestone and basalt caves through paired metagenomic and biogeochemical profiling. Based on 1458 metagenome-assembled genomes, over half of microbial cells in caves encode enzymes to use atmospheric trace gases as energy and carbon sources. The most abundant microbes in these systems are chemosynthetic primary producers, notably the novel gammaproteobacterial methanotrophic order Ca. Methylocavales and two uncultivated actinobacterial genera predicted to grow on atmospheric hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide. In situ and ex situ biogeochemical and isotopic measurements consistently confirmed that these gases are rapidly consumed at rates sufficient to meet community-wide energy needs and drive continual primary production. Conventional chemolithoautotrophs, which use trace lithic compounds such as ammonium and sulfide, are also enriched and active alongside these trace gas scavengers. These results indicate that caves are unique in both their microbial composition and the biogeochemical processes that sustain them. Based on these findings, we propose caves are the first known ecosystems where atmospheric trace gases primarily sustain growth rather than survival and define this process as "aerotrophy". Cave aerotrophy may be a hidden process supporting global biogeochemistry.

Abstract Filamentous Chloroflexota are abundant in activated sludge wastewater treatment plants (WWTPs) worldwide and are occasionally associated with poor solid-liquid separation or foaming, but most of the abundant lineages remain undescribed. Here, we present a comprehensive overview of Chloroflexota abundant in WWTPs worldwide, using high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) and 16S rRNA amplicon data from 740 Danish and global WWTPs. Many novel taxa were described, encompassing 4 families, 13 genera and 29 novel species. These were widely distributed across most continents, influenced by factors such as climate zone and WWTP process design. Visualization by fluorescence in situ hybridization (FISH) confirmed their high abundances in many WWTPs based on the amplicon data and showed a filamentous morphology for nearly all species. Most formed thin and short trichomes integrated into the floc structure, unlikely to form the typical inter-floc bridging that hinders activated sludge floc settling. Metabolic reconstruction of 53 high-quality MAGs, representing most of the novel genera, offered further insights into their versatile metabolisms and suggested a primary role in carbon removal and involvement in nitrogen and sulfur cycling. The presence of glycogen reserves, detected by FISH-Raman microspectroscopy, seemed widespread across the phylum demonstrating that these bacteria likely utilize glycogen as an energy storage to survive periods with limited resources. This study gives a broad overview of the Chloroflexota community in global activated sludge WWTPs and improves our understanding of their roles in these engineered ecosystems. Importance Chloroflexota are often abundant members of the biomass in wastewater treatment plants (WWTPs) worldwide, typically with a filamentous morphology, forming the backbones of the activated sludge (AS) floc. However, their overgrowth can often cause operational issues connected to poor settling or foaming, impairing effluent quality and increases operational costs. Despite the importance, few Chloroflexota genera have been characterized so far. Here, we present a comprehensive overview of Chloroflexota abundant in WWTPs worldwide and an in-depth characterization of their morphology, phylogeny, and ecophysiology, obtaining a broad understanding of their ecological role in activated sludge.

ABSTRACT Microbial community dynamics are dictated by both abiotic environmental conditions and biotic interactions. These communities consist of individual microorganisms across the continuum of phylogenetic diversity, ranging from coexisting members of different domains of life and phyla to multiple strains with only a handful of single nucleotide variants. Ecological forces act on a shifting template of population-level diversity that is shaped by evolutionary processes. However, understanding the ecological and evolutionary forces contributing to microbial community interactions and overall ecosystem function is difficult to interrogate for complex, naturally occurring microbial communities. Here, we use two time series of lab-scale engineered enrichment microbial communities simulating phosphorus removal to explore signatures of microbial diversity at multiple phylogenetic scales. We characterized microbial community dynamics and diversity over the course of reactor start-up and long-term dynamics including periods of eubiosis and dysbiosis as informed by the intended ecosystem function of phosphorus removal. We then compared these signatures to lineages from full-scale WWTPs performing phosphorus removal. We found that enriched lineages in lab-scale bioreactors harbor less intra-population diversity than lineages from the full-scale WWTP overall. Our work establishes a foundation for using engineered enrichment microbial communities as a semi-complex model system for addressing the fundamental ecological and evolutionary processes necessary for developing stable microbiome based biotechnologies.

High-throughput sequencing has allowed unprecedented insight into the composition and function of complex microbial communities. With the onset of metatranscriptomics, it is now possible to interrogate the transcriptome of multiple organisms simultaneously to get an overview of the gene expression of the entire community. Studies have successfully used metatranscriptomics to identify and describe relationships between gene expression levels and community characteristics. However, metatranscriptomic datasets contain a rich suite of additional information which is just beginning to be explored. In this minireview we discuss the different computational strategies for handling antisense expression in metatranscriptomic samples and highlight their potentially detrimental effects on downstream analysis and interpretation. We also surveyed the antisense transcriptome of multiple genomes and metagenome-assembled genomes (MAGs) from five different datasets and found high variability in the level of antisense transcription for individual species which were consistent across samples. Importantly, we tested the hypothesis that antisense transcription is primarily the product of transcriptional noise and found mixed support, suggesting that the total observed antisense RNA in complex communities arises from a compounded effect of both random, biological and technical factors. Antisense transcription can provide a rich set of information, from technical details about data quality to novel insight into the biology of complex microbial communities.

Abstract In wastewater treatment plants (WWTPs) complex microbial communities process diverse chemical compounds from sewage. Secreted proteins are critical because many are the first to interact with or degrade external (macro)molecules. To better understand microbial functions in WWTPs, we predicted secreted proteomes of WWTP microbiota from more than 1000 high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) from 23 Danish WWTPs with biological nutrient removal. Focus was placed on examining secreted catabolic exoenzymes that target major classes of macromolecules. We demonstrate that Bacteroidota have high potential to digest complex polysaccharides, but also proteins and nucleic acids. Poorly understood activated sludge members of Acidobacteriota and Gemmatimonadota also have high capacities for extracellular polysaccharide digestion. Secreted nucleases are encoded by 61% of MAGs indicating an importance for extracellular DNA and/or RNA digestion in WWTPs. Secreted lipases were the least-common macromolecule-targeting enzymes predicted, encoded mainly by Gammaproteobacteria and Myxococcota. In contrast, diverse taxa encode extracellular peptidases, indicating that proteins are widely used nutrients. Diverse secreted multi-heme cytochromes suggest capabilities for extracellular electron-transfer by various taxa, including some Bacteroidota that encode undescribed cytochromes with >100 heme-binding motifs. Myxococcota have exceptionally large secreted protein complements, probably related to predatory lifestyles and/or complex cell cycles. Many Gammaproteobacteria MAGs (mostly former Betaproteobacteria) encode few or no secreted hydrolases, but many periplasmic substrate-binding proteins and ABC- and TRAP-transporters, suggesting they are mostly sustained by small molecules. Together, this study provides a comprehensive overview of how WWTPs microorganisms interact with the environment, providing new insights into their functioning and niche partitioning. Importance Wastewater treatment plants are critical biotechnological systems that clean wastewater, allowing the water to reenter the environment and limit eutrophication and pollution. They are also increasingly important for recovery of resources. They function primarily by the activity of microorganisms, which act as a ‘living sponge’, taking-up and transforming nutrients, organic material and pollutants. Despite much research, many microorganisms in WWTPs are uncultivated and poorly characterized, limiting our understanding of their functioning. Here, we analyzed a large collection of high-quality metagenome-assembled genomes from WWTPs for encoded secreted enzymes and proteins, with special emphasis on those used to degrade organic material. This analysis showed highly distinct secreted proteome profiles among different major phylogenetic groups of microorganisms, thereby providing new insights into how different groups function and co-exist in activated sludge. This knowledge will contribute to a better understanding of how to efficiently manage and exploit WWTP microbiomes.

Northern post-glacial lakes are a significant and increasing source of atmospheric carbon (C), largely through ebullition (bubbling) of microbially-produced methane (CH4) from the sediments. Ebullitive CH4 flux correlates strongly with temperature, suggesting that solar radiation is the primary driver of these CH4 emissions. However, here we show that the slope of the temperature-CH4 flux relationship differs spatially, both within and among lakes. Hypothesizing that differences in microbiota could explain this heterogeneity, we compared site-specific CH4 emissions with underlying sediment microbial (metagenomic and amplicon), isotopic, and geochemical data across two post-glacial lakes in Northern Sweden. The temperature-associated increase in CH4 emissions was greater in lake middles--where methanogens were more abundant--than edges, and sediment microbial communities were distinct between lake edges and middles. Although CH4 emissions projections are typically driven by abiotic factors, regression modeling revealed that microbial abundances, including those of CH4-cycling microorganisms and syntrophs that generate H2 for methanogenesis, can be useful predictors of porewater CH4 concentrations. Our results suggest that deeper lake regions, which currently emit less CH4 than shallower edges, could add substantially to overall CH4 emissions in a warmer Arctic with longer ice-free seasons and that future CH4 emission predictions from northern lakes may be improved by accounting for spatial variations in sediment microbiota.

Abstract Microorganisms are critical to water recycling, pollution removal and resource recovery processes in the wastewater industry. While the structure of this complex community is increasingly understood based on 16S rRNA gene studies, this structure cannot currently be linked to functional potential due to the absence of high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) with full-length rRNA genes for nearly all species. Here, we sequence 23 Danish full-scale wastewater treatment plant metagenomes, producing >1 Tbp of long-read and >0.9 Tbp of short-read data. We recovered 1083 high-quality MAGs, including 57 closed circular genomes. The MAGs accounted for ~30% of the community, and meet the stringent MIMAG high-quality draft requirements including full-length rRNA genes. We show how novel high-quality MAGs in combination with >13 years of amplicon data, Raman microspectroscopy and fluorescence in situ hybridisation can be used to uncover abundant undescribed lineages belonging to important functional groups.