Abstract Each prokaryotic domain, Bacteria and Archaea, contains a large and diverse group of organisms characterized with ultrasmall cell size and symbiotic lifestyles – Patescibacteria (also known as Candidate Phyla Radiation/CPR) and DPANN archaea. Cultivation-based approaches have revealed that Patesibacteria and DPANN symbiotically interact with bacterial and archaeal partners/hosts respectively, but cross-domain symbiosis/parasitism has never been observed. Here, we discovered physical interaction between ultramicrobacterial Patescibacteria and methanogenic archaea using cultures from anaerobic wastewater treatment sludge. In the cultures, we observed physical attachment of ultramicrobial cells to cells resembling Methanothrix and Methanospirillum using transmission electron microscopy and successfully detected physical association of Ca . Yanofskybacteria and Methanothrix using fluorescence in situ hybridization (FISH) (other ultramicrosized bacterial cells, presumably Patescibacteria, were also observed to attach on Methanospirillum ). This was further confirmed to be a symbiosis rather than simple aggregation based on the observation that most ultramicrobacterial cells attached to Methanothrix were Ca . Yanofskybacteria and positive correlation ( p < 0.05) between the relative abundance of Patescibacteria lineages and methanogenic archaea ( e.g., Ca . Yanofskybacteria– Methanothrix and uncultured clade 32-520– Methanospirillum ). The results shed light on a novel cross-domain symbiosis and inspire potential strategies for culturing CPR/DPANN.

Biomethane recovery from paper waste (PW) was achieved by mesophilic co-digestion with food waste. The feeding material containing 0%, 20%, 40% and 50% of PW in total solids (TS) were investigated in the long-term continuous operation. The results showed that the biogas production, pH, alkalinity and biodegradation of volatile solids (79.8 ± 3.6%) were stable for PW contents no more than 50%. The PW = 50% condition was considered the critical limit for the reasons of pump clogging, sufficient alkalinity (2.0 ± 0.3 g-CaCO

Biohythane, the promising gaseous biofuel, can be produced by the recirculated two-phase anaerobic digestion (R-TPAD). The effect of hydraulic retention time (HRT) as 30, 20 and 10 days on biohythane production via R-TPAD (recirculation ratio = 0.4) was investigated with co-digestion of food waste and paper waste. The results showed that HRTs of 30 and 20 days maintained stable performance for R-TPAD but HRT of 10 days led to the final decrease in biogas production. The failure in the end was attributed to the wash-out of microbes. The removal efficiencies for COD and carbohydrates were decreased by short HRTs while for VS it remained relatively stable at about 75.7 ± 4.0%. All through the operation, acidogenic phase and methanogenic phase were separated stably and butyrate pathway was the dominant pathway for hydrogen fermentation in the first stage. The microbial community in the first stage reached the highest diversity when total HRT was 20 days, where the hydrogen production rate was the highest. The genera Lactobacillus and Caproiciproducens kept dominating the dark fermentation in the acidogenic phase, and Ruminococcus and Methanosarcina were decreasing in the methanogenic phase. The biohythane yields were 411 mL/g-VSfed, 332 mL/g-VSfed and 253 mL/g-VSfed, respectively, where the H2 contents were 18.4%, 14.7% and 8.8%, respectively.

Abstract To verify the parasitic lifestyle of Candidatus Patescibacteria in the enrichment cultures derived from a methanogenic bioreactor, we applied multifaceted approaches combining cultivation, microscopy, metatranscriptomic, and protein structure prediction analyses. Cultivation experiments with the addition of exogenous methanogenic archaea with acetate, amino acids, and nucleoside monophosphates and 16S rRNA gene sequencing confirmed the increase in the relative abundance of Ca . Patescibacteria and methanogens. The predominant Ca . Patescibacteria were Ca . Yanofskybacteria and 32-520 lineages (to which belongs to class Ca . Paceibacteria) and positive linear relationships ( r 2 ≥ 0.70) between the relative abundance of Ca . Yanofskybacteria and Methanothrix , suggesting that the tendency of the growth rate is similar to that of the host. By fluorescence in situ hybridization (FISH) observations, the FISH signals of Methanothrix and Methanospirillum cells with Ca . Yanofskybacteria and with 32-520 lineages, respectively, were significantly lower than those of the methanogens without Ca . Patescibacteria, suggesting their parasitic interaction. The TEM and SEM observations also support parasitism in that the cell walls and plugs of these methanogens associated with submicron cells were often deformed. In particular, some Methanothrix -like filamentous cells were dented where the submicron cells were attached. Metatranscriptomic and protein structure prediction analyses identified highly expressed secreted genes from the genomes of Ca . Yanofskybacteria and 32-520, and these genes contain adhesion-related domains to the host cells. Considering the results through the combination of microscopic observations, gene expression, and computational protein modeling, we propose that the interactions between Ca . Yanofskybacteria and 32-520 belonging to class Ca . Paceibacteria and methanogenic archaea are parasitism.