Nitrification is a biological oxidation of NH3 to NO2- and then to NO3-. Understanding how the nitrifier community responds to agricultural management is essential because the community composition is complex and functional distinction of subgroups occurs. Better managing nitrifiers could benefit the environment by increasing nitrogen (N) fertilizer use efficiency, decreasing NO3- leaching, and reducing NO and N2O emissions. This study examined how long-term N fertilization and tillage influenced nitrifier density, ratios, nitrification rates, and the community structure of ammonia-oxidizing bacteria (AOB), ammonia-oxidizing archaea (AOA), and nitrite-oxidizing bacteria (NOB). The study site was a long-term (>40 years) continuous maize (Zea mays L.) experiment with three N fertilization rates (0, 168, and 336 kg ha-1) and either no-tillage (NT) or plow tillage (PT). Most Probable Number method was used to estimate the density of AOB and NOB; the shaken slurry method was used to measure potential nitrification rates; PCR-denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) was used to analyze nitrifier communities. Tillage, fertilization, and their interaction all significantly influenced the AOB and NOB densities, the ratio of AOB to NOB, and potential nitrification rate. Nitrifier densities and potential nitrification rates increased with increased N fertilization; NOB density increased faster than AOB density with fertilization. The influence of tillage on nitrification was different for different fertilization rates. The trends for nitrifier density and potential nitrification rate were not consistent. Nitrifier community structure was influenced by sample season, N fertilization rates, tillage, and their interaction. Different nitrifier groups had different responses to the treatments. The AOB became more diverse with increasing N input; tillage rather than N fertilizer played a dominant role affecting the AOA community; two NOB genera had different responses to N fertilization rates: Nitrobacter diversity increased with more N applied; Nitrospira was the opposite. Unique bands/members were discovered in different treatments, manifesting environmental selection. Long-term field trials were useful in better understanding how soil management influenced the relationship between nitrifier densities, nitrification rates, and community structure, which may facilitate new approaches to optimize nitrification and provide new clues to discover which environmental factors most influence the nitrifier community in agroecosystems.

A biofilm is any group of microorganisms in which cells stick to each other and adhere to a surface by excreting a matrix of extracellular polymeric substances (EPS). The chemoautotrophic nitrifying bacteria hardly form biofilms due to their extremely low growth rate; however, biofilm formation of nitrifying bacteria trends to attach in carrier by extracellular polysaccharides that facilitate mutual adhesion, the forming biofilm is also beneficial in nitrogen removal in biological filter systems, especially in aquaculture water treatment systems. The microbial activity within bio-carrier is a key factor in the performance of biofilm reactor. Selection the nitrifier bacteria that biofilm formation and immobilization on the carrier for application in ammonium polluted water treatment technologies, especially in aquaculture is our research objective. Therefore, in this study, ten and six strains of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) respectively were isolated from six different aquaculture water samples collected from Quang Ninh and Soc Trang. Basing on their high nitrification activity and biofilm forming capacity, six bacterial strains have been selected to take photo by scanning electron microscope (SEM) and carry out in 2 – liter tanks with and without carriers. As the results, the system with carriers (30% of total volume) increased nitrogen compounds elimination efficiency from 1.2 times to 2 times in comparison with the system without carrier. Two representatives of ammonia oxidizing bacterial group (B1.1; G2-1.2) were classification based on characteristics and they were classified as Nitrosomonas sp. and Nitrosococcus sp. / Màng sinh học được hình thành từ vi sinh vật nhờ các tế bào tiết ra các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) và dính vào nhau đồng thời được gắn lên một bề mặt vật thể lỏng hoặc rắn. Vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng có thể tạo ra màng sinh học nhưng khá khó khăn do tỷ lệ sinh trưởng rất chậm của chúng. Tuy nhiên vi khuẩn nitrate hóa tạo màng sinh học thường có xu thế bám lên giá thể nhờ sự gắn kết của các polisaccarit ngoại bào. Sự hình thành màng sinh học cũng là lợi thế để loại bỏ các hợp chất nitơ trong các hệ thống lọc sinh học, đặc biệt là trong các hệ thống xử lý nước nuôi trồng thủy sản. Hoạt tính vi sinh vật cùng với giá thể sinh học là một yếu tố quan trọng để thực hiện trong các bể phản ứng màng sinh học. Trong nghiên cứu này, mục tiêu của chúng tôi là lựa chọn được các vi khuẩn nitrate hóa có khả năng tạo màng sinh học và cố định chúng lên giá thể để ứng dụng trong các công nghệ xử lý nước bị ô nhiễm ammonia đặc biệt là trong nuôi trồng thủy sản. Kết quả cho thấy, từ sáu mẫu nước nuôi trồng thủy sản khác nhau từ Quảng Ninh và Sóc Trăng, 10 chủng vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và 6 chủng vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB) đã được phân lập. Dựa vào hoạt tính nitrate hóa và khả năng tạo màng sinh học của các chủng vi khuẩn phân lập được 6 chủng điển hình đã được lựa chọn để chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét và được ứng dụng trong hai bể sinh học với dung tích 2 lít có chứa và không chứa chất mang (giá thể). Sau 7 ngày, hệ thống sinh học chứa giá thể (chiếm 30% thể tích) có hiệu suất loại bỏ các hợp chất nitơ tăng hơn từ 1,2 đến 2 lần so với bể sinh học không chứa chất mang. Hai đại diện của nhóm vi khuẩn oxy hóa ammonia (B-1.1 và G2-1.2) đã được phân loại sơ bộ dựa vào một số đặc điểm sinh học và chúng đã được xác định thuộc chi Nitrosomonas và chi Nitrosococcus.

A biofilm is any group of microorganisms in which cells stick to each other and adhere to a surface by excreting a matrix of extracellular polymeric substances (EPS). The chemoautotrophic nitrifying bacteria hardly form biofilms due to their extremely low growth rate; however, biofilm formation of nitrifying bacteria trends to attach in carrier by extracellular polysaccharides that facilitate mutual adhesion, the forming biofilm is also beneficial in nitrogen removal in biological filter systems, especially in aquaculture water treatment systems. The microbial activity within bio-carrier is a key factor in the performance of biofilm reactor. Selection the nitrifier bacteria that biofilm formation and immobilization on the carrier for application in ammonium polluted water treatment technologies, especially in aquaculture is our research objective. Therefore, in this study, ten and six strains of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) respectively were isolated from six different aquaculture water samples collected from Quang Ninh and Soc Trang. Basing on their high nitrification activity and biofilm forming capacity, six bacterial strains have been selected to take photo by scanning electron microscope (SEM) and carry out in 2 – liter tanks with and without carriers. As the results, the system with carriers (30% of total volume) increased nitrogen compounds elimination efficiency from 1.2 times to 2 times in comparison with the system without carrier. Two representatives of ammonia oxidizing bacterial group (B1.1; G2-1.2) were classification based on characteristics and they were classified as Nitrosomonas sp. and Nitrosococcus sp. / Màng sinh học được hình thành từ vi sinh vật nhờ các tế bào tiết ra các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) và dính vào nhau đồng thời được gắn lên một bề mặt vật thể lỏng hoặc rắn. Vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng có thể tạo ra màng sinh học nhưng khá khó khăn do tỷ lệ sinh trưởng rất chậm của chúng. Tuy nhiên vi khuẩn nitrate hóa tạo màng sinh học thường có xu thế bám lên giá thể nhờ sự gắn kết của các polisaccarit ngoại bào. Sự hình thành màng sinh học cũng là lợi thế để loại bỏ các hợp chất nitơ trong các hệ thống lọc sinh học, đặc biệt là trong các hệ thống xử lý nước nuôi trồng thủy sản. Hoạt tính vi sinh vật cùng với giá thể sinh học là một yếu tố quan trọng để thực hiện trong các bể phản ứng màng sinh học. Trong nghiên cứu này, mục tiêu của chúng tôi là lựa chọn được các vi khuẩn nitrate hóa có khả năng tạo màng sinh học và cố định chúng lên giá thể để ứng dụng trong các công nghệ xử lý nước bị ô nhiễm ammonia đặc biệt là trong nuôi trồng thủy sản. Kết quả cho thấy, từ sáu mẫu nước nuôi trồng thủy sản khác nhau từ Quảng Ninh và Sóc Trăng, 10 chủng vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và 6 chủng vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB) đã được phân lập. Dựa vào hoạt tính nitrate hóa và khả năng tạo màng sinh học của các chủng vi khuẩn phân lập được 6 chủng điển hình đã được lựa chọn để chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét và được ứng dụng trong hai bể sinh học với dung tích 2 lít có chứa và không chứa chất mang (giá thể). Sau 7 ngày, hệ thống sinh học chứa giá thể (chiếm 30% thể tích) có hiệu suất loại bỏ các hợp chất nitơ tăng hơn từ 1,2 đến 2 lần so với bể sinh học không chứa chất mang. Hai đại diện của nhóm vi khuẩn oxy hóa ammonia (B-1.1 và G2-1.2) đã được phân loại sơ bộ dựa vào một số đặc điểm sinh học và chúng đã được xác định thuộc chi Nitrosomonas và chi Nitrosococcus.

This research investigates the physiological and transcriptional responses of Nitrosomonas europaea when exposed to chlorinated aromatic compounds and heavy metals under varying environmental conditions. It was found that transcriptional responses of identified sentinel genes correlate well with nitrification inhibition. Sorption of metals to biomass was also investigated and found not to correlate well with N. europaea inhibition. Whole genome microarray experiments were performed to define the transcriptional response of N. europaea when exposed to chlorobenzene. 13 out of 2460 N. europaea genes were significantly up-regulated after a 1-hour exposure to 4 μM chlorobenzene. HPLC analysis revealed that chlorobenzene was being oxidized primarily into 4-chlorophenol, and further physiological studies revealed that the presence of 4-chlorophenol could account for the inhibitory responses observed. RT-qPCR analysis of several differentially regulated genes verified that similar transcriptional responses were occurring for both chlorobenzene and 4-chlorophenol. 50% inhibitory concentrations of chlorobenzene and 4-chlorophenol resulted in moderate up-regulation of studied genes, however, increasing the concentration of 4-chlorophenol to achieve nitrification inhibition of 93% or more dramatically increased the fold regulation of several of the identified up- and down- regulated genes of interest. Increasing the 4-chlorophenol exposure time to 3 hours at the higher inhibition levels led to a general decrease in amplitude of transcriptional response for all genes tested. Cultures of N. europaea were exposed to various amounts of cadmium in aqueous solution containing EDTA, a strong metal-chelating organic, to control free ionic cadmium²⁺ (Cd²⁺) concentrations. Inhibition of ammonia oxidation as well as transcriptional up-regulation of merA, an identified sentinel gene for exposure to cadmium was found to correlate well with the concentration of Cd²⁺. The concentration of Cd²⁺ required to significantly affect N. europaea cells was found to be in the nanomolar range, which is several orders of magnitude lower than values reported in the literature for cadmium inhibition to mixed-culture activated sludge systems. The sorption of cadmium to the cells was found to be proportional to both the concentration of total cadmium and the concentration of Cd²⁺. At the concentration of metals required to cause approximately 50% nitrification inhibition, specific oxygen uptake results indicate the inhibition is specific to AMO with HAO and downstream energy-generation processes intact. To investigate more closely the inhibitory interactions between heavy metals and AMO, N. europaea inhibition by cadmium, zinc and silver was studied under substrate-limiting conditions. Unlike incubation in oxic environments, 1 hour incubations of N. europaea with cadmium and silver under anoxic conditions did not cause inhibition of nitrification activity after re-suspension in oxic media. In contrast, zinc, which is normally considered an analogue of cadmium in terms of toxic effect and transport mechanisms, was non-inhibitory to N. europaea when exposed in media lacking ammonia. Transcriptional response of merA closely followed the inhibition patterns, with samples which were inhibited after the removal of the metal having significant up-regulation of the gene, and those samples which were uninhibited showing no significant change in merA transcript levels compared to controls. Although sorbed metal concentrations were not found to be predictive of either extent of inhibition or transcriptional response, significantly more cadmium, zinc and silver were sorbed to biomass when incubated in aerobic media compared to anoxic media. Sorption in oxic media was found to be independent of AMO activity and similar results were obtained using Deinococcus radiodurans, a non-nitrifying gram-positive extremophile. The results indicate that greater heavy metal sorption to biomass in oxic environments may be due to general membrane chemistry effects. / Graduation date: 2011 / Access restricted to the OSU Community at author's request from March 31, 2011 - March 31, 2012