 |
Sociomicrobiology of biofilm forming, hydrocarbon degrading and ureolitic bacteria for bioremediation purposes
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128831 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Benedek, Tibor |
| Title in Hungarian |
Biofilmképző, szénhidrogénbontó és ureolitikus baktériumok együtt-tenyészthetőségének vizsgálata bioremediációs céllal |
| Title in English |
Sociomicrobiology of biofilm forming, hydrocarbon degrading and ureolitic bacteria for bioremediation purposes |
| Keywords in Hungarian |
biofilm, MICP, szénhidrogének, biorésfalak, bioremediáció |
| Keywords in English |
biofilm, MICP, petroleum hydrocarbons, biobarriers, bioremediation |
| Discipline |
| Microbial ecology and evolution (Council of Complex Environmental Sciences) | 70 % | | Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Biodegradation |
|
| Panel |
Ecology and evolution 1 |
| Department or equivalent |
Knowledge and Technology Transfer (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences) |
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
10.538 |
| FTE (full time equivalent) |
1.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A környezeti perturbációkkal szembeni magas ellenálló képességnek tulajdoníthatóan a biofilmek mindenhol jelen vannak a környezetünkben és számos nemkívánatos jelenséggel társíthatók. Viszont, a biofilmek belsejében kialakult változatos mikro-nichekből adódóan a biofilmek filogenetikai és metabolikus diverzitása hatalmas, amely a környezetvédelmi gyakorlatban kiaknázható. Ehhez kapcsolódóan, a biofilm alapú féligáteresztő reaktív résfalak (BBs-biobarriers) képesek arra, hogy szerves és szervetlen szennyező anyagokat különböző talajvíz áramokból visszatartsanak, biológiai úton eltávolítsanak. Sajnos, annak ellenére, hogy a BBs egyre nagyobb népszerűségnek, felhasználásnak örvendenek napjainkban számos megoldásra váró probléma, megválaszolásra váró kérdés merül fel a használatuk során. Egyike a megoldásra váró problémáknak a biofilm alapú reaktív résfal rendszerek hosszú távú szerkezeti stabilitásának biztosítása, fiziko-kémiai paraméterekkel szembeni ellenálló képességének növelése. A mikrobiológiailag indukált CaCO3 precipitáció ureolitikus baktériumok révén ígéretes megoldásnak tűnik a biobarrierek szerkezeti stabilizálására. A keletkezett CaCO3 kristályok a porózus közeg szemcséit összecementálják, csökkentik a rendszer porozitását, áteresztőképességét miközben nő a rendszer szerkezeti stabilitása. Következésképpen, a kutatás fő célja biofilmképző, kőolajszénhidrogének bontására képes, valamint ureolitikus baktériumok együtt-tenyészthetőségének vizsgálata, szocio-mikrobiológiai tanulmányozása. Egy az előzőekben felsorolt baktériumokból álló konzorcium a jövőben alkalmazható lehet tartós biofilm alapú, féligáteresztő reaktív résfalak kialakításához.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő kérdései:
CaCO3-biofilm alapú reaktív résfalrendszerek hosszú távon stabilabbak lehetnek, mint a csupán biofilm alapúak?
Hogyan változik a csupán biofilm alapú versus CaCO3-biofilm alapú rekatív rendszerek hidraulikus konduktivitása, stabilitása változó környezeti paraméterekkel szemben (pH változás, kiszáradás, kimosódás)?
A CaCO3 kristályok kicsapódása megakadályozza a konzorcium szénhidrogénbontó tagjának aktivitását?
Fordítva, masszív biofilmképző és szénhidrogénbontó baktériumok jelenléte csökkenti, vagy növeli a mikrobiális CaCO3 precipitáció mértékét?
A biofilm baktériumok által termelt exopoliszacharidok és a CaCO3 kristályok együttes jelenléte teljesen eltömődött biobarrier rendszereket eredményez?
A kutatás hipotézise szerint a biofilmképző baktériumok által termelt exopoliszacharidok egyrészt védelmet nyújthatnak a szénhidrogénbontó és CaCO3 precipitáló baktériumoknak hogy képesek legyenek aktivitásukat hatékonyan kifejteni, illetve a kialakult biofilm további nukleációs gócpontként szolgálhat a CaCO3 precipitációhoz. Ezzel szemben, a kicsapódott CaCO3 kristályok miatt a biobarrier rendszer megőrzi szükséges hidraulikus konduktivitását, vízvisszatartó képességét a biofilm kiszáradása vagy kimosódása esetén is. Ezen túlmenően, egy másik hipotézis értelmében, abban az esetben ha a mikrobiológiailag indukált CaCO3 precipitáció is bekövetkezik a biobarrier rendszerben nincs szükség masszív biofilm kialakítására. A két módszer ötvözésével elérhető az, hogy a biobarrier rendszereket gyorsabb ütemben, kevesebb tápoldat felhasználásával, ebből kifolyólag még költséghatékonyabban alakíthassuk ki.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A biobarrier technológia egy új, ígéretes fenntartható megoldás szennyezett talajvizek in situ kármentesítésére. Viszont, habár az U.S. EPA jelentése értelmében 2010-ben a biobarrierek a leggyakrabban alkalmazott in situ bioremediációs megoldások voltak az USA-ban használatunk Magyarországon nagy mértékben mellőzve van. Mivel hazánkban a talajvizek egyszerű aromás szénhidrogénekkel való szennyezése komoly aggályokat vet fel innovatív, fenntartható és hatékony bioremediációs megoldások, mint a biobarrierek, használata szükségszerű, illetve az ezzel kapcsolatos alapkutatások elengedhetetlenül fontosak. A javasolt kutatási tervben vállalt feladatok nagyban hozzájárulnának a jövőben alkalmazni kívánt biobarrierek hosszútávú stabilitásának a megőrzéséhez, amely egy nagyon népszerű kérdés napjainkban világszerte. A CaCO3 mikrobiológiai úton történő kicsapására képes ureolitikus baktériumok együtt-tenyésztését masszív biofilmképző és szénhidrogénbontó baktériumokkal tartós biobarrierek kialakítására vagy megerősítésére ezidáig még senki nem vizsgálta.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A környezeti perturbációkkal szembeni magas ellenálló képességnek tulajdoníthatóan a biofilmek mindenhol jelen vannak a környezetünkben és számos nemkívánatos jelenséggel társíthatók. Viszont, a biofilmek belsejében kialakult változatos mikro-nichekből adódóan a biofilmek filogenetikai és metabolikus diverzitása hatalmas, amely a környezetvédelmi gyakorlatban kiaknázható. Ehhez kapcsolódóan, a biofilm alapú féligáteresztő reaktív résfalak (BBs-biobarriers) képesek arra, hogy szerves és szervetlen szennyező anyagokat különböző talajvíz áramokból visszatartsanak, biológiai úton eltávolítsanak. Sajnos, annak ellenére, hogy a BBs egyre nagyobb népszerűségnek, felhasználásnak örvendenek napjainkban számos megoldásra váró probléma, megválaszolásra váró kérdés merül fel a használatuk során. Egyike a megoldásra váró problémáknak a biofilm alapú reaktív résfal rendszerek hosszú távú szerkezeti stabilitásának biztosítása, fiziko-kémiai paraméterekkel szembeni ellenálló képességének növelése. A mikrobiológiailag indukált CaCO3 precipitáció ureolitikus baktériumok révén ígéretes megoldásnak tűnik a biobarrierek szerkezeti stabilizálására. A keletkezett CaCO3 kristályok a porózus közeg szemcséit összecementálják, csökkentik a rendszer porozitását, áteresztőképességét miközben nő a rendszer szerkezeti stabilitása. Következésképpen, a kutatás fő célja biofilmképző, kőolajszénhidrogének bontására képes, valamint ureolitikus baktériumok együtt-tenyészthetőségének vizsgálata, szocio-mikrobiológiai tanulmányozása. Egy az előzőekben felsorolt baktériumokból álló konzorcium a jövőben alkalmazható lehet tartós biofilm alapú, féligáteresztő reaktív résfalak kialakításához.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Owing to the high resistance to environmental challenges, biofilms are ubiquitous in nature and can cause serious concerns worldwide. However, due to the variety of microniches they develop, biofilms are enormously diverse in phylogenetic and metabolic points of view and therefore can be applied in environmental remediation practices. Biofilm systems are highly suitable for the degradation of highly toxic pollutants too. In this context, biofilm based semipermeable reactive barriers have the ability to retain and biologically eliminate organic or inorganic contaminants from contaminated groundwater streams during in situ bioremediation. However, although the use of in situ biobarriers is very popular nowadays and is steadily growing, critical issues still need to be resolved. One of these issues is to ensure proper hydraulic conductivity to the biobarriers while maintaining long-term chemical-physical and structural stability. Microbiologically induced calcite precipitation (MICP) by ureolytic bacteria might be a promising solution in stabilization of porous barriers. CaCO3 crystals precipitated during MICP bridge gaps between the grains in porous media, reduce the pore throat size, porosity, permeability and increase the strength of the porous barrier matrix.
Therefore, the main objective of the project is to engineer a microbial consortium, including a prolific biofilm forming species, hydrocarbon degraders and an ureolytic bacterium. Subsequently, the engineered consortium can be applicable in the establishment of durable biofilm based semipermeable reactive barriers destined for containment and decontamination of simple aromatic hydrocarbon polluted water streams.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Research questions are as follows:
• Will the development of a mineral-biofilm barrier be more stable long term than a solely biofilm-barrier?
• How will the hydraulic conductivity and durability of biofilm-barriers vs. mineral-biofilm barriers change due to changing environmental conditions (pH change, desiccation, high volumetric flow rate)?
• Will the mineral precipitation impede the hydrocarbon degradation ability of the consortium?
• In turn, will the presence of massive biofilm forming and hydrocarbon degrading bacteria impede or enhance the ability of ureolytic bacteria to catalyze MICP?
• Will the presence of EPS and biofilm bacteria promote a biobarrier that completely plugs the formation?
We hypothesize here that the EPS produced by biofilm bacteria on the one hand will provide additional nucleation sites for calcite precipitation and on the other hand will ensure protection to ureolytic bacteria against environmental perturbations (e.g. pH alterations). In turn, the precipitated CaCO3 will maintain the fluid retaining capacity of biobarriers even after desiccation or washout of biofilm EPS. Moreover, another hypothesis is that perhaps a mature biofilm does not need to be grown up if MICP occurs and sequesters the active degrading bacterial species in a stable mineral barrier. In addition, by combining biofilm formation with the MICP cementing technique biobarriers can be built faster with less use of nutrients contributing thus to reduction of costs.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Biobarriers (BBS) are a novel type of promising in situ technology for the remediation of contaminated groundwater. However, although according to U.S EPA in 2010 BBs were amongst the most used in situ bioremediation approaches in the U.S., their use in Hungary is absolutely neglected.
Since groundwater pollution with simple aromatic hydrocarbons is a serious problem in Hungary the development of effective, innovative bioremediation approaches, like BBs, is essential.
The proposed research work would contribute significantly to the long term stability of BBs, a popular issue nowadays worldwide. Using MICP bacteria in combination with massive biofilm forming species and a hydrocarbon degrader for development and consolidation of reactive BBs has never been investigated before.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Biobarriers (BBs) are a novel type of promising in situ technology for the remediation of contaminated groundwater. However, although according to U.S EPA in 2010 BBs were amongst the most used in situ bioremediation approaches in the U.S., their use in Hungary is absolutely neglected. Since groundwater pollution with simple aromatic hydrocarbons is a serious problem in Hungary the development of effective, innovative bioremediation approaches, like BBs, is essential. However, although the use of in situ biobarriers is very popular nowadays and is steadily growing, critical issues still need to be resolved. One of these issues is to ensure proper hydraulic conductivity to the biobarriers while maintaining long-term chemical-physical and structural stability. Microbiologically induced calcite precipitation (MICP) by ureolytic bacteria might be a promising solution in stabilization of porous barriers. CaCO3 crystals precipitated by MICP bacteria bridge gaps between the grains in porous media, reduce the pore throat size, porosity, permeability and increase the strength of the porous barrier matrix.
The main objective of the project is to engineer a microbial consortium, including a prolific biofilm forming species, hydrocarbon degraders and an ureolytic bacterium. Subsequently, after several lab-scale model-experiments the engineered consortium can be applicable in the establishment of durable biofilm based semipermeable reactive barriers destined for containment and decontamination of simple aromatic hydrocarbon polluted water streams.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
