DNA extraction and primer choice have a large effect on the observed community structure in all microbial amplicon sequencing analyses. Although the biases are well known, no comprehensive analysis has been conducted in activated sludge communities. In this study we systematically explored the impact of a number of parameters on the observed microbial community: bead beating intensity, primer choice, extracellular DNA removal, and various PCR settings. In total, 176 samples were subjected to 16S rRNA amplicon sequencing, and selected samples were investigated through metagenomics and metatranscriptomics. Quantitative fluorescence in situ hybridization was used as a DNA extraction-independent method for qualitative comparison. In general, an effect on the observed community was found on all parameters tested, although bead beating and primer choice had the largest effect. The effect of bead beating intensity correlated with cell-wall strength as seen by a large increase in DNA from Gram-positive bacteria (up to 400%). However, significant differences were present at lower phylogenetic levels within the same phylum, suggesting that additional factors are at play. The best primer set based on in silico analysis was found to underestimate a number of important bacterial groups. For 16S rRNA gene analysis in activated sludge we recommend using the FastDNA SPIN Kit for Soil with four times the normal bead beating and V1-3 primers.

Long-read Oxford Nanopore sequencing has democratized microbial genome sequencing and enables the recovery of highly contiguous microbial genomes from isolates or metagenomes. However, to obtain near-finished genomes it has been necessary to include short-read polishing to correct insertions and deletions derived from homopolymer regions. Here, we show that Oxford Nanopore R10.4 can be used to generate near-finished microbial genomes from isolates or metagenomes without short-read or reference polishing.

Abstract Microorganisms play crucial roles in water recycling, pollution removal and resource recovery in the wastewater industry. The structure of these microbial communities is increasingly understood based on 16S rRNA amplicon sequencing data. However, such data cannot be linked to functional potential in the absence of high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) for nearly all species. Here, we use long-read and short-read sequencing to recover 1083 high-quality MAGs, including 57 closed circular genomes, from 23 Danish full-scale wastewater treatment plants. The MAGs account for ~30% of the community based on relative abundance, and meet the stringent MIMAG high-quality draft requirements including full-length rRNA genes. We use the information provided by these MAGs in combination with >13 years of 16S rRNA amplicon sequencing data, as well as Raman microspectroscopy and fluorescence in situ hybridisation, to uncover abundant undescribed lineages belonging to important functional groups.

Anaerobic digestion for biogas production is reliant on the tightly coupled synergistic activities of complex microbial consortia. Members of the uncultured A6 phylotype, within the phylum Chloroflexi, are among the most abundant genus-level-taxa of mesophilic anaerobic digester systems treating primary and surplus sludge from wastewater treatment plants, yet are known only by their 16S rRNA gene sequence. This study applied metagenomics to obtain a complete circular genome (2.57 Mbp) from a representative of the A6 taxon. Preliminary annotation of the genome indicates these organisms to be anaerobic chemoorganoheterotrophs with a fermentative metabolism. Given their observed abundance, they are likely important primary fermenters in digester systems. Application of fluorescence in situ hybridisation probes designed in this study revealed their morphology to be short filaments present within the flocs. The A6 were sometimes co-located with the filamentous Archaea Methanosaeta spp. suggesting potential undetermined synergistic relationships. Based on its genome sequence and morphology we propose the species name Brevefilum fermentans gen. nov. sp. nov.

Abstract High-throughput amplicon sequencing of large genomic regions remains challenging for short-read technologies. Here, we report a high-throughput amplicon sequencing approach combining unique molecular identifiers (UMIs) with Oxford Nanopore Technologies or Pacific Biosciences CCS sequencing, yielding high accuracy single-molecule consensus sequences of large genomic regions. Our approach generates amplicon and genomic sequences of >10,000 bp in length with a mean error-rate of 0.0049-0.0006% and chimera rate <0.022%.

ABSTRACT Long-read Oxford Nanopore sequencing has democratized microbial genome sequencing and enables the recovery of highly contiguous microbial genomes from isolates or metagenomes. However, to obtain near-perfect genomes it has been necessary to include short-read polishing to correct insertions and deletions derived from homopolymer regions. Here, we show that Oxford Nanopore R10.4 can be used to generate near-perfect microbial genomes from isolates or metagenomes without shortread or reference polishing.

Abstract Anaerobic digestion (AD) is a key technology at many wastewater treatment plants (WWTPs) for converting surplus activated sludge to methane-rich biogas. However, the limited number of surveys and the lack of comprehensive data sets have hindered a deeper understanding of the characteristics and associations between key variables and the microbiome composition. Here, we present a six-year survey of 46 anaerobic digesters, located at 22 WWTPs in Denmark, which is the largest known study of the microbial ecology of AD at WWTPs at a regional scale. For three types of AD (mesophilic, mesophilic with thermal hydrolysis pretreatment, and thermophilic), we present the typical value range of 12 key parameters including operational variables and performance parameters. The bacterial and archaeal microbiomes were analyzed at species-level resolution using amplicon sequencing in >1,000 samples and the new ecosystem-specific MiDAS 3 reference database. We detected 42 phyla, 1,600 genera and 3,584 species in the bacterial microbiome, where 70% of the genera and 93% of the species represented uncultivated taxa that were only classified based on MiDAS 3 denovo placeholder taxonomy. More than 40% of the 100 most abundant bacterial species did not grow in the digesters and were only present due to immigration with the feed sludge. Temperature, ammonium concentration, and pH were the main drivers shaping the microbiome clusters of the three types of ADs for both bacteria and for archaea. Within mesophilic digesters, feed sludge composition and other key parameters (organic loading rate, biogas yield, and ammonium concentration) correlated with the growing bacterial microbiome. Furthermore, correlation analysis revealed the main drivers for specific species among growing bacteria and archaea, and revealed the potential ecological function of many novel taxa. Our study highlights the influence of immigration on bacterial AD microbiome. Subsetting the growing microbes improves the understanding of the diversity and main drivers of microbiome assembly, and elucidates functionality of specific species-level microorganisms. This six-year survey provides a comprehensive insight into microbiome structure at species level, engineering and ecological performance, and a foundation for future studies of the ecological significance/characteristics and function of the novel taxa.