Anticancer drugs alter active nitrogen-cycling communities with effects on the nitrogen removal efficiency of a continuous-flow aerobic granular sludge system

Abstract

Existe una creciente preocupación por la presencia de fármacos anticancerígenos (ACDs) en las aguas residuales. Sin embargo, aún se conoce poco sobre cómo estos compuestos afectan el rendimiento de los sistemas de tratamiento de aguas y sus comunidades microbianas. Este estudio evaluó los efectos de tres ACDs comunes (ciclofosfamida, tamoxifeno y metotrexato), aplicados en distintas concentraciones, sobre parámetros fisicoquímicos y la eficiencia de eliminación de fármacos en un sistema de lodos granulares aerobios (AGS) operado en un reactor de flujo continuo. Asimismo, se analizó la abundancia de comunidades microbianas activas, incluidas las nitrificantes (gen amoA de bacterias y arqueas oxidantes de amonio) y desnitrificantes (genes napA, narG, nirK, nirS y nosZ), así como la biodiversidad de las comunidades procariotas activas. Se observó que el nivel de concentración de ACDs influye en la densidad de biomasa, la integridad de los gránulos y las eficiencias de eliminación de materia orgánica (MO) y nitrógeno total. Las concentraciones medias y altas de ACDs afectaron negativamente estos parámetros fisicoquímicos. Los resultados revelaron que el sistema AGS en flujo continuo puede contribuir a la eliminación de ACDs, aunque la eficiencia depende del tipo de fármaco y su concentración. A concentraciones medias y altas se detectó una notable disminución en la abundancia de comunidades bacterianas y arqueales activas, incluidas las nitrificantes y desnitrificantes, junto con una reducción de la diversidad microbiana y cambios en la composición de la comunidad. Algunos géneros bacterianos clave para la degradación de MO, la nitrificación y la desnitrificación resultaron especialmente sensibles a los ACDs. Estos hallazgos subrayan la necesidad de monitorizar y gestionar la presencia de fármacos anticancerígenos en las aguas residuales, dado su impacto potencial en la eficiencia del tratamiento, las comunidades implicadas en el ciclo del nitrógeno y la estructura microbiana.

There is increasing awareness of the presence of anticancer drugs (ACDs) in wastewater. Nonetheless, how ACDs affect the performance of wastewater treatment systems and their microbial populations remains largely unclear. This study investigated the effects of three common ACDs (cyclophosphamide, tamoxifen, and methotrexate) at varying concentrations on physicochemical parameters and drug removal efficiency in an aerobic granular sludge (AGS) system operated in a continuous-flow reactor. Additionally, it examined the abundance of active microbial communities, including nitrifiers (amoA gene from ammonia-oxidizing bacteria and archaea) and denitrifiers (napA, narG, nirK, nirS, nosZ genes), as well as the biodiversity of active prokaryotic communities. The concentration level of ACDs determines variations in biomass density, granule integrity, and removal efficiencies of organic matter (OM) and total nitrogen. Both medium and high ACD concentrations negatively impact these physicochemical parameters. The findings revealed that AGS functioning within a continuous system could help remove ACDs, but removal efficiencies depended on the specific drug and concentration applied. At medium and high ACD concentrations a marked reduction in the abundance of active bacterial and archaeal communities, including nitrifiers and denitrifiers, was observed, alongside a decline in microbial diversity and a transformation in community composition. Specific bacterial genera, which are crucial for OM degradation, nitrification and denitrification were identified as particularly sensitive to anticancer drugs. Our findings highlight the need for monitoring and managing anticancer drugs in wastewater systems, as they can substantially alter treatment performance, nitrogen-cycling communities, and bacterial community composition.