Microorganisms in wastewater treatment plants (WWTPs) are essential for water purification to protect public and environmental health. However, the diversity of microorganisms and the factors that control it are poorly understood. Using a systematic global-sampling effort, we analysed the 16S ribosomal RNA gene sequences from ~1,200 activated sludge samples taken from 269 WWTPs in 23 countries on 6 continents. Our analyses revealed that the global activated sludge bacterial communities contain ~1 billion bacterial phylotypes with a Poisson lognormal diversity distribution. Despite this high diversity, activated sludge has a small, global core bacterial community (n = 28 operational taxonomic units) that is strongly linked to activated sludge performance. Meta-analyses with global datasets associate the activated sludge microbiomes most closely to freshwater populations. In contrast to macroorganism diversity, activated sludge bacterial communities show no latitudinal gradient. Furthermore, their spatial turnover is scale-dependent and appears to be largely driven by stochastic processes (dispersal and drift), although deterministic factors (temperature and organic input) are also important. Our findings enhance our mechanistic understanding of the global diversity and biogeography of activated sludge bacterial communities within a theoretical ecology framework and have important implications for microbial ecology and wastewater treatment processes.

It has long been assumed that differences in the relative abundance of taxa in microbial communities reflect differences in environmental conditions. Here we show that in the economically and environmentally important microbial communities in a wastewater treatment plant, the population dynamics are consistent with neutral community assembly, where chance and random immigration play an important and predictable role in shaping the communities. Using dynamic observations, we demonstrate a straightforward calibration of a purely neutral model and a parsimonious method to incorporate environmental influence on the reproduction (or birth) rate of individual taxa. The calibrated model parameters are biologically plausible, with the population turnover and diversity in the heterotrophic community being higher than for the ammonia oxidizing bacteria (AOB) and immigration into AOB community being relatively higher. When environmental factors were incorporated more of the variance in the observations could be explained but immigration and random reproduction and deaths remained the dominant driver in determining the relative abundance of the common taxa. Consequently we suggest that neutral community models should be the foundation of any description of an open biological system.

Microbial fuel cells (MFCs) harness the metabolism of microorganisms, converting chemical energy into electrical energy. Anode performance is an important factor limiting the power density of MFCs for practical application. Improving the anode design is thus important for enhancing the MFC performance, but only a little development has been reported. Here, we describe a biocompatible, highly conductive, two-scale porous anode fabricated from a carbon nanotube−textile (CNT−textile) composite for high-performance MFCs. The macroscale porous structure of the intertwined CNT−textile fibers creates an open 3D space for efficient substrate transport and internal colonization by a diverse microflora, resulting in a 10-fold-larger anolyte−biofilm−anode interfacial area than the projective surface area of the CNT−textile. The conformally coated microscale porous CNT layer displays strong interaction with the microbial biofilm, facilitating electron transfer from exoelectrogens to the CNT−textile anode. An MFC equipped with a CNT−textile anode has a 10-fold-lower charge-transfer resistance and achieves considerably better performance than one equipped with a traditional carbon cloth anode: the maximum current density is 157% higher, the maximum power density is 68% higher, and the energy recovery is 141% greater.

ABSTRACT We report molecular evidence that ammonia-oxidizing archaea (AOA) occur in activated sludge bioreactors used to remove ammonia from wastewater. Using PCR primers targeting archaeal ammonia monooxygenase subunit A ( amoA ) genes, we retrieved and compared 75 sequences from five wastewater treatment plants operating with low dissolved oxygen levels and long retention times. All of these sequences showed similarity to sequences previously found in soil and sediments, and they were distributed primarily in four major phylogenetic clusters. One of these clusters contained virtually identical amoA sequences obtained from all five activated sludge samples (from Oregon, Wisconsin, Pennsylvania, and New Jersey) and accounted for 67% of all the sequences, suggesting that this AOA phylotype may be widespread in nitrifying bioreactors.

To assess the effectiveness of a new tissue adhesive for laceration closure.A prospective, randomized controlled trial.An adult teaching hospital.One hundred thirty patients with 136 lacerations who consented to enrollment during a 5-month period. The lacerations included all eligible nonmucosal facial lacerations, as well as selected extremity and torso lacerations (not on hands, feet, or joints). One hundred six lacerations were available for early follow-up, and 98 were available for 3-month evaluation.Lacerations were randomly allocated to have skin closure with octylcyanoacrylate adhesive or monofilament suture.A 3-month photograph of the wound was assigned a cosmesis score on a previously validated 100-mm visual analog cosmesis scale by a plastic surgeon who was unaware of the method of wound closure.There were no differences in the mean visual analog cosmesis scores (67 mm for octylcyanoacrylate vs 68 mm for sutures; P=.65). Similarly, there was no difference in the percentage of early (80% vs 82%; P=.80) or late (72% vs 75%; P=.74) optimal wound evaluation scores. The tissue adhesive was a faster method of wound repair (3.6 vs 12.4 minutes; P<.001) as well as being less painful (visual analog pain scores, 7.2 vs 18.0 mm; P<.001).Octylcyanoacrylate tissue adhesive effectively closes selected lacerations. This relatively painless and fast method of wound repair can replace the need for suturing several million lacerations each year.

Nitrous oxide (N(2)O) is an environmentally important atmospheric trace gas because it is an effective greenhouse gas and it leads to ozone depletion through photo-chemical nitric oxide (NO) production in the stratosphere. Mitigating its steady increase in atmospheric concentration requires an understanding of the mechanisms that lead to its formation in natural and engineered microbial communities. N(2)O is formed biologically from the oxidation of hydroxylamine (NH(2)OH) or the reduction of nitrite (NO(-) (2)) to NO and further to N(2)O. Our review of the biological pathways for N(2)O production shows that apparently all organisms and pathways known to be involved in the catabolic branch of microbial N-cycle have the potential to catalyze the reduction of NO(-) (2) to NO and the further reduction of NO to N(2)O, while N(2)O formation from NH(2)OH is only performed by ammonia oxidizing bacteria (AOB). In addition to biological pathways, we review important chemical reactions that can lead to NO and N(2)O formation due to the reactivity of NO(-) (2), NH(2)OH, and nitroxyl (HNO). Moreover, biological N(2)O formation is highly dynamic in response to N-imbalance imposed on a system. Thus, understanding NO formation and capturing the dynamics of NO and N(2)O build-up are key to understand mechanisms of N(2)O release. Here, we discuss novel technologies that allow experiments on NO and N(2)O formation at high temporal resolution, namely NO and N(2)O microelectrodes and the dynamic analysis of the isotopic signature of N(2)O with quantum cascade laser absorption spectroscopy (QCLAS). In addition, we introduce other techniques that use the isotopic composition of N(2)O to distinguish production pathways and findings that were made with emerging molecular techniques in complex environments. Finally, we discuss how a combination of the presented tools might help to address important open questions on pathways and controls of nitrogen flow through complex microbial communities that eventually lead to N(2)O build-up.

The COVID-19 pandemic has severely impacted public health and the worldwide economy. Converging evidence from the current pandemic, previous outbreaks and controlled experiments indicates that SARS-CoVs are present in wastewater for several days, leading to potential health risks via waterborne and aerosolized wastewater pathways. Conventional wastewater treatment provides only partial removal of SARS-CoVs, thus safe disposal or reuse will depend on the efficacy of final disinfection. This underscores the need for a risk assessment and management framework tailored to SARS-CoV-2 transmission via wastewater, including new tools for environmental surveillance, ensuring adequate disinfection as a component of overall COVID-19 pandemic containment. Converging evidence indicates that SARS-CoVs are present in wastewater for several days with potential health risks. This Review analyses knowledge about such risks as well as the potential spread of SARS-CoVs in waterborne, waterborne–aerosolized and waterborne–foodborne pathways during a pandemic.

The control of nitrite-oxidizing bacteria (NOB) challenges the implementation of partial nitritation and anammox (PN/A) processes under mainstream conditions. The aim of the present study was to understand how operating conditions impact microbial competition and the control of NOB in hybrid PN/A systems, where biofilm and flocs coexist. A hybrid PN/A moving-bed biofilm reactor (MBBR; also referred to as integrated fixed film activated sludge or IFAS) was operated at 15 °C on aerobically pre-treated municipal wastewater (23 mgNH4-N L-1). Ammonium-oxidizing bacteria (AOB) and NOB were enriched primarily in the flocs, and anammox bacteria (AMX) in the biofilm. After decreasing the dissolved oxygen concentration (DO) from 1.2 to 0.17 mgO2 L-1 - with all other operating conditions unchanged - washout of NOB from the flocs was observed. The activity of the minor NOB fraction remaining in the biofilm was suppressed at low DO. As a result, low effluent NO3- concentrations (0.5 mgN L-1) were consistently achieved at aerobic nitrogen removal rates (80 mgN L-1 d-1) comparable to those of conventional treatment plants. A simple dynamic mathematical model, assuming perfect biomass segregation with AOB and NOB in the flocs and AMX in the biofilm, was able to qualitatively reproduce the selective washout of NOB from the flocs in response to the decrease in DO-setpoint. Similarly, numerical simulations indicated that flocs removal is an effective operational strategy to achieve the selective washout of NOB. The direct competition for NO2- between NOB and AMX - the latter retained in the biofilm and acting as a "NO2-sink" - was identified by the model as key mechanism leading to a difference in the actual growth rates of AOB and NOB (i.e., μNOB < μAOB in flocs) and allowing for the selective NOB washout over a broad range of simulated sludge retention times (SRT = 6.8-24.5 d). Experimental results and model predictions demonstrate the increased operational flexibility, in terms of variables that can be easily controlled by operators, offered by hybrid systems as compared to solely biofilm systems for the control of NOB in mainstream PN/A applications.

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) represents an energy-efficient process for the removal of biological nitrogen from ammonium-rich wastewater. However, the susceptibility of anammox bacteria to coexisting heavy metals considerably restricts their use in engineering practices. Here, we report that acyl-homoserine lactone (AHL), a signaling molecule that mediates quorum sensing (QS), significantly enhances the nitrogen removal rate by 24% under Cu2+ stress. A suite of macro-/microanalytical and bioinformatic analyses was exploited to unravel the underlying mechanisms of AHL-induced Cu2+ resistance. Macro-/microanalytical evidence indicated that AHL regulations on the production, spatial distribution, and functional groups of extracellular polymeric substances were not significant, ruling out extracellular partitioning and complexation as a principal mechanism. Meanwhile, molecular biological evidence showed that AHL upregulated the transcriptional levels of resistance genes (sod, kat, cysQ, and czcC responsible for antioxidation defense, Cu2+ sequestration, and transport) to appreciable extents, indicating intracellular resistance as the primary mechanism. This study yielded a mechanistic understanding of the regulatory roles of AHL in extracellular and intracellular resistance of anammox consortia, providing a fundamental basis for utilizing QS regulation for efficient nitrogen removal in wastewaters with heavy metal stress.