Groundwater microcosm studies on the microbial biodegradation of aromatic hydrocarbons under hypoxic conditions  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
104307
Type PD
Principal investigator Táncsics, András
Title in Hungarian Aromás szénhidrogének mikrobiális lebontásának vizsgálata oxigénlimitált közegekben mikrokozmosz kísérletek segítségével
Title in English Groundwater microcosm studies on the microbial biodegradation of aromatic hydrocarbons under hypoxic conditions
Keywords in Hungarian aromás szénhidrogének, biodegradáció, mikrobiális ökológia, hipoxikus talajvizek, mikrokozmosz kísérletek
Keywords in English aromatic hydrocarbons, biodegradation, microbial ecology, hypoxic groundwater, microcosm experiments
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)60 %
Ortelius classification: Biodegradation
Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Panel Immunity, Cancer and Microbiology
Department or equivalent Knowledge and Technology Transfer (Szent István University)
Starting date 2013-01-01
Closing date 2015-06-30
Funding (in million HUF) 18.920
FTE (full time equivalent) 2.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az egyszerű aromás vegyületek, ezek közül is elsősorban a benzol, a toluol, az etil-benzol, és a xilolok (összefoglalóan BTEX-vegyületek) gyakori talajvízszennyezőnek számítanak mind világszerte, mind pedig Magyarországon. Gázolajjal szennyezett területeken minden esetben kimutathatóak a szennyezett közegből. Mivel aránylag jól oldódnak a vízben, ezért potenciális veszélyt jelentenek az ivóvízbázisokra, a benzolnak pedig rákkeltő hatása is igazolt. Számos mikroba képes azonban szén és energiaforrásként hasznosítani e vegyületeket, mégpedig elsősorban aerob körülmények között. Az aerob lebontásban résztvevő mikroba közösségek és kulcsenzimek, illetve az ezeket kódoló funkciógének már régóta a tudományos kutatások középpontjában vannak. Az utóbbi években ugyanakkor egyre elterjedtebbé válik az a vélekedés, hogy hipoxikus körülmények között, például felszín alatti közegekben más összetételű mikroba közösségek és más típusú gyűrűhasító enzimek vesznek részt az aromás szénhidrogének lebontásában, mint szigorúan aerob körülmények között. A projekt célja tehát az, hogy mikrokozmosz kísérletek segítségével megvizsgálja, milyen összetételű mikroba közösségek és milyen gyűrűhasító enzimek vesznek részt a BTEX-vegyületek hipoxikus körülmények közötti lebontásában, illetve hogy egyes alternatív légzési szubsztrátok jelenléte elősegíti-e a lebontást.

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 talajvízben a BTEX-vegyületek lebomlása aerob körülmények között megy végbe a leggyorsabban, azonban a szennyezett közegekben megnövekszik a mikrobák anyagcsere aktivitása, ami az oldott oxigén koncentrációjának gyors csökkenését idézi elő, és 2 mg/l alatti koncentrációt elérve hipoxikussá válik a közeg. Az aerob lebontásban kulcsszerepet játszó enzimek azonban molekuláris oxigént igényelnek a működésükhöz, így kérdésként merül fel, hogy a kialakuló oxigénlimitált közegben milyen összetételű mikroba közösségek és milyen kulcsenzimek vesznek részt az aromás szénhidrogének lebontásában. A kutatás fontos alapkérdése az is, hogy oxigénlimitált körülmények között milyen szerepe lehet a lebontásban egyes alternatív légzési szubsztrátoknak, így például a nitrátnak vagy a Fe(III)-ionnak.

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!

Az aromás vegyületek hipoxikus körülmények közötti lebomlásának folyamata, a biodegradációban résztvevő mikroba közösségek összetétele, a közösségek dinamikája, illetve az egyes mikroorganizmusok szerepe ma még tisztázatlan. Az aromás szénhidrogének aerob biodegradációját ma még elsősorban a Pseudomonas nemzetséghez és az általuk kódolt dioxigenáz enzimekhez köti a tudomány. Ezzel szemben egyre több kísérleti eredmény bizonyítja, hogy e nemzetség tagjai korántsem bírnak akkora jelentőséggel, mint ahogy azt eddig feltételezték. Oxigénlimitált, aromás vegyületekkel szennyezett közegekben sokszor különösen marginális csoportnak számítanak. Ugyanakkor a Béta-Proteobaktériumok, ezen belül is a Comamonadaceae és a Rhodocylaceae család tagjai igen elterjedtek ezekben a közegekben, és valószínűleg nagy szerepet játszanak e vegyületek hipoxikus körülmények közötti lebontásában. Korábbi eredményeink és a projekt várható eredményei együttesen jelentősen hozzájárulhatnak az ezen a területen várható paradigmaváltáshoz. A társadalmi hasznosíthatóság szempontjából kiemelendő, hogy Magyarországon a legfőbb talajvízszennyező vegyületek a szénhidrogének, és a szennyezett közeg kármentesítése mindig szükséges az ivóvízbázisok védelme miatt. Ahhoz, hogy e közegeket megfelelően tudjuk kezelni, elengedhetetlenül szükséges, hogy ismerjük a lejátszódó mikrobiális folyamatokat.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Az aromás szénhidrogének (például benzol, toluol, xilolok) Magyarországon gyakori talajvízszennyezőnek számítanak. Gázolajjal szennyezett területekről mindig kimutathatóak, és mivel aránylag jól oldódnak a vízben, potenciális veszélyt jelentenek az ivóvízbázisokra. E vegyületek többsége toxikus az ember számára, a benzol rákkeltő hatása pedig jól ismert. Emiatt a szennyezett talajok és talajvizek megtisztítása minden esetben törvényileg kötelező. Szerencsére számos mikroorganizmus képes lebontani az aromás szénhidrogéneket, így segítségükkel a szennyezett közeg megtisztítható. E vegyületek lebontása azonban elsősorban oxigén jelenlétében történik meg, ami a felszín alatti közegekben, például a talajvízben sokszor csak korlátozott mennyiségben áll rendelkezésre. A projekt célja az, hogy megismerjük azokat a baktérium közösségeket, amelyek az oxigén korlátozott hozzáférhetősége mellett is hatékonyan képesek lebontani az aromás szénhidrogéneket és leírjuk azokat a folyamatokat, amelyek lejátszódnak e közegekben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The monoaromatic hydrocarbons like benzene, toluene, ethyl-benzene and xylenes (BTEX-compounds) are frequent groundwater contaminants worldwide. Their presence in water has several hazardous impacts on public health due to the fact that BTEX-compounds have acute and long term toxic effects. Additionally, benzene is known to be a carcinogen. Therefore, the remediation of the contaminated environment is always required. On the other hand, several microbes can use aromatic hydrocarbons as sole source of carbon and energy and due to this the degradation occurs rapidly under strictly aerobic conditions. Therefore, microbial communities and aromatic ring cleaving enzymes that take part in the aerobic degradation of these compounds are intensively studied. However, in the last decade it has become evident, that under hypoxic conditions different microbes and ring cleaving enzymes play role in the degradation than under strictly aerobic conditions. Based upon our previous results, the aim of our project is to reveal the microbial communities and ring cleaving enzymes that play role in the hypoxic degradation of BTEX-compounds by groundwater microcosm experiments. Moreover, we will investigate the role of alternative respiratory substrates in the hypoxic degradation.

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.

In groundwater microbial biodegradation of BTEX-compounds occurs rapidly under aerobic conditions. On the other hand, in contaminated subsurface environments the concentration of dissolved oxygen declines due to the microbial oxygen consumption and often drops below 2 mg/l, causing hypoxic conditions. However, the ring cleaving dioxygenase enzymes use molecular oxygen to catalyze the cleavage of the aromatic ring. Therefore, the aromatic hydrocarbon-degrading activity of strictly aerobic microbes in these environments is questionable. The main questions of the project are: (i) which microbes and microbial communities play active role in the hypoxic degradation of BTEX-compounds, (ii) which ring cleaving dioxygenase enzymes play role in the degradation of the contaminants under the given conditions, (iii) how can nitrate or Fe(III) trigger the hypoxic degradation?

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.

The process of hypoxic biodegradation of aromatic hydrocarbons, the structure and dynamics of microbial communities and the role of defined microbes that take part in the process are still unclear. The aerobic degradation of aromatic hydrocarbons is still assigned mainly to species of the genus Pseudomonas and to dioxygenase enzymes possessed mainly by pseudomonads. However, some recent studies have suggested that their role in the degradation of aromatic hydrocarbons in subsurface environments is not as significant as it was thought to be earlier. Moreover, in oxygen limited, petroleum hydrocarbon contaminated environments their role in the degradation can be marginal. On the other hand, in these environments the microbial communities are often dominated by β-Proteobacteria (Comamonadaceae and Rhodocyclaceae family mainly) and possibly these bacteria play the main role in the hypoxic degradation of aromatic hydrocarbons. Our previous results and the expected results of the project can significantly contribute to the paradigm shift at this field.
Regarding the social usefulness of the project it is important to note, that hydrocarbons are the most frequent groundwater contaminants in Hungary, and the treatment of the contaminated environment is always required to protect drinking water resources. In order to more efficiently treat these ecosystems we need to expand our knowledge about microbial processes that take part in these environments.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylenes are frequent groundwater contaminants is Hungary. These compounds are always detectable in gasoline contaminated subsurface environments and the contamination can considerably threaten subsurface aquifers, since some of them are moderately water soluble. Their presence in water has several hazardous impacts on public health due to the fact that these aromatic compounds have acute and long term toxic effects. Additionally, benzene is known to cause cancer. Therefore, the remediation of the contaminated ecosystem is always required. Fortunately, several microbes can degrade aromatic hydrocarbons and the clean-up of the contaminated environment can be carried out with their help. Although the microbial degradation occurs rapidly under aerobic conditions, oxygen availability in subsurface environments is usually restricted. Therefore, the aim of this project is to reveal those microbial communities and enzymes that play role in the aerobic degradation of aromatic hydrocarbons under restricted oxygen availability.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Kifejlesztettünk egy single-nucleotide primer extension alapú eljárást, amely segítségével kimutattuk, hogy egyes, az extradiol dioxigenázok I.2.C alcsaládjába tartozó katekol 2,3-dioxigenáz gének mikroaerob körülmények között is kifejeződnek BTEX-vegyületekkel szennyezett, hipoxikus talajvizekben. Kimutattuk, hogy e géneket eddig még ki nem tenyésztett Rhodoferax sp., illetve Rhodocyclaceae családba tartozó baktériumok hordozhatják. Mikrokozmosz kísérletekben igazoltuk, hogy egyes I.2.C-típusú katekol 2,3-dioxigenáz gének kifejeződése független lehet a molekuláris oxigéntől. További kísérletekben vizsgáltuk a nitrát s a vas(III) szerepét a BTEX-vegyületek lebontásában, és azt találtuk, hogy egyedül a nitrátnak volt némi pozitív hatása a BTEX-lebontásra. Dúsító tenyésztést végeztünk, hogy kérdéses fakultatív vas(III)-redukáló Rhodoferax baktériumot kitenyészthessük. Ehhez különböző vas(III)-redukáló médiumokat hoztunk létre, ám egyelőre csak Geobacter nemzetségbe tartozó mikroszervezetek stabil feldúsítását értük el. Tiszta tenyészetekkel való munkáink során leírtunk egy új baktérium fajt Zoogloea oleivorans néven, amely I.2.C-típusú katekol 2,3-dioxigenázzal rendelkezik.
Results in English
We developed a single-nucleotide primer extension based assay which showed that I.2.C-type catechol 2,3-dioxygenase genes are active under hypoxic conditions in BTEX-contaminated groundwater. We have shown that these genes are probably harbored by yet uncultivated bacteria: a Rhodoferax sp. and a family Rhodocyclaceae related bacterium. By using microcosm experiments it was shown that the expression of certain I.2.C-type catechol 2,3-dioxygenase genes is independent from the presence of molecular oxygen. In further microcosm experiments we have investigated the role of nitrate and Fe(III) in hypoxic degradation of BTEX-compounds, and it was found that only the excess of nitrate had positive effect on the degradation. In order to enrich the desired Rhodoferax-related bacterium, different Fe(III)-reducing enrichment media were prepared and tested. However only Geobacter dominated enrichments have evolved yet. Our work with pure isolates resulted the valid description of a new bacterial species, Zoogloea oleivorans harboring a I.2.C-type catechol 2,3-dioxygenase gene and with the ability to degrade petroleum hydrocarbons.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104307
Decision
Yes





 

List of publications

 
Farkas M, Táncsics A, Révész F, Kriszt B, Szoboszlay S: Tracking the enrichment of Fe(III)-reducing bacteria in two slightly different enrichment media, In: Szabó D Szabó D (szerk.) (szerk.) 17th Internatinal Congress of the Hungarian Society for Microbiology . Budapest, Magyarország, 2015.07.08-2015.07.10. Kiadvány: Budapest: Akadémiai Kiadó, 2015. pp. 149 (Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica) 62, Supplement, 2015
Táncsics A, Farkas M, Benedek T, Szoboszlay S, Kriszt B: Differential enrichment of Fe(III)-reducing bacteria from groundwater of the Siklós BTEX-contaminated site, Hungary, In: Szabó D Szabó D (szerk.) (szerk.) 17th Internatinal Congress of the Hungarian Society for Microbiology . Budapest, Magyarország, 2015.07.08-2015.07.10. Kiadvány: Budapest: Akadémiai Kiadó, 2015. pp. 225 (Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica) 62, Supplement, 2015
Farkas M., Szoboszlay S., Kriszt B., Táncsics A.: Selective enrichment of Fe(III)-reducing bacteria from microaerobic, BTEX contaminated groundwater, A Magyar Mikrobiológiai Társaság 2014. évi Nagygyűlése és EU FP7 PROMISE Regional Meeting: Absztraktfüzet. pp. 15-16., 2014
Táncsics A, Farkas M, Szoboszlay S, Vajna B, Benedek T, Kriszt B: Single-Nucleotide Primer Extension Assays to Reveal Key Microbes and Functional Genes Taking Part in the, Ninth International Symposium on Subsurface Microbiology, October 5-10, 2014, Pacific Grove, California USA, 2014
Táncsics A, Farkas M, Szoboszlay S, Szabó I, Kukolya J, Vajna B, Kovács B, Benedek T, Kriszt B: One-year monitoring of meta-cleavage dioxygenase gene expression and microbial community dynamics reveals the relevance of subfamily I.2.C extradiol dioxygenases in hypoxic, BTEX-contaminated groundwater, SYST APPL MICROBIOL 36: 339-350, 2013
Farkas M, Táncsics A, Kriszt B, Benedek T, Tóth E M, Kéki Zs, Veres P G, Szoboszlay S: Zoogloea oleivorans sp. nov., a floc-forming, petroleum hydrocarbon degrading bacterium isolated from biofilm, INT J SYST EVOL MICR 65: 274-279, 2015
Farkas M., Táncsics A., Szoboszlay S., Kriszt B.: Low diversity of aerobically cultivable bacteria was observed in a hypoxic, BTEX-contaminated groundwater, Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica, 60 ( Suppl.): 134-135, 2013
Táncsics A., Farkas M., Szoboszlay S., Benedek T., Kriszt B.: Aerobic and anaerobic degradation pathways of aromatic hydrocarbons are both acive under miroaerobic and anaerobic conditions as revealed by microcosm experiments, Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica, 60 ( Suppl.): 247-248, 2013




Back »