 |
Microbial biodegradation of aromatic hydrocarbons in subsurface environments: elucidating the genetic background of microaerobic degradation by stable isotope and „omics” approaches
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
134439 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Táncsics, András |
| Title in Hungarian |
Aromás szénhidrogének mikrobiális biodegradációja felszín alatti közegekben: a mikroaerob lebontás genetikai hátterének tisztázása stabil izotópos és „omikai” módszerekkel |
| Title in English |
Microbial biodegradation of aromatic hydrocarbons in subsurface environments: elucidating the genetic background of microaerobic degradation by stable isotope and „omics” approaches |
| Keywords in Hungarian |
biodegradáció, mikrobiális ökológia, aromás szénhidrogének, "omikai" módszerek, felszín alatti közegek |
| Keywords in English |
biodegradation, microbial ecology, aromatic hydrocarbons, "omics" approaches |
| Discipline |
| Microbial ecology and evolution (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences) | 25 % | | Ortelius classification: Biodegradation | | Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 25 % |
|
| Panel |
Ecology and evolution |
| Department or equivalent |
Knowledge and Technology Transfer (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences) |
| Participants |
Kiss, János
Tóth, Erika
|
| Starting date |
2020-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
29.598 |
| FTE (full time equivalent) |
3.00 |
| 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, mint a bizonyítottan rákkeltő benzol, a toluol, az etil-benzol, és a xilolok gyakori talajvízszennyezőnek számítanak Magyarországon. Számos mikroba képes szén és energiaforrásként hasznosítani e vegyületeket, mégpedig elsősorban aerob körülmények között. Emiatt a szennyezett felszín alatti közegben gyorsan megindul a rendelkezésre álló oldott oxigén koncentrációjának csökkenése, végül pedig anaerob viszonyok alakulnak ki. Ilyen körülmények között a benzol és a xilol perzisztens szennyezőkké válhatnak. Emiatt a szennyezett felszín alatti közegek kármentesítése során bevett gyakorlat a közeg oxigénnel való ellátása. Kérdésként merül fel ugyanakkor, hogy léteznek-e olyan mikroszervezetek, amelyek mikroaerob körülmények mellett is képesek a szennyezőanyagok teljes lebontására. Ma már ismert, hogy a régóta szennyezett, oxigén-limitált talajvizek mikroba közösségeiben elsősorban a Betaproteobacteriales rend tagjai a dominánsak, illetve az elsősorban általuk kódolt, a szennyezőanyagok lebontásában kulcsszerepet játszó katekol dioxigenáz gének mutathatóak ki a legnagyobb diverzitásban. E katekol 2,3-dioxigenáz enzimekről, amelyek az extradiol dioxigenázok I.2.C alcsaládjába tartoznak, feltételezik, hogy mikroaerob körülmények között is aktívak. Korábbi munkáink hozzájárultak e gének diverzitásának feltárásához, illetve DNS és RNS alapú stabil izotópos kísérletek segítségével feltártuk, hogy mikroaerob körülmények között mely baktériumok képesek a toluol biodegradációjára. Továbbra is kérdés azonban, hogy a jóval nagyobb környezeti problémát jelentő benzol és a xilol mikroaerob lebontására van-e mód, illetve abban mely mikroszervezetek vesznek részt.
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.
Oxigén-limitált, aromás szénhidrogénekkel szennyezett talajvizek mikroba közösségeiben általában Betaproteobacteriales rend tagjai (főleg Rhodoferax, Acidovorax, Polaromonas, Delftia, Azoarcus, Zoogloea, Dechloromonas és egyéb még ki nem tenyésztett nemzetségek képviselői) a domináns közösségalkotók. Emellett ezekben a közegekben az aromás gyűrű hasításában kulcsszerepet játszó katekol 2,3-dioxigenáz gének közül legnagyobb diverzitásban az I.2.C típusú C23O gének fordulnak elő. A kutatás alapkérdése, hogy mely baktériumok képesek mikroaerob körülmények között a benzol, illetve a xilolok biodegradációjára? A benzol mikroaerob biodegradációját, illetve az abban szerepet játszó baktériumok körének feltárását stabil izotópos jelölés módszerével végeznénk, egy általunk régóta vizsgált szennyezett terület talajvíz-szediment mintájának a felhasználásával. A benzol és a xilol lebontásában szerepet játszó izolátumok genomjainak, vagy a dúsító tenyészetek metagenom adatainak elemzése pedig választ adhat arra a kérdésre, hogy melyek a genetikai előfeltételei a mikroaerob benzol, illetve xilol biodegradációnak.
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!
Ismert, hogy az aromás vegyületek leggyorsabban oxigén jelenlétében kerülnek lebontásra a mikroszervezetek által, sőt a rákkeltő benzol, valamint a xilolok perzisztens vegyületnek számítanak anaerob körülmények között. Emiatt a szennyezett közegek oxigén utánpótlása egy gyakran alkalmazott aktív kármentesítési eljárás mind Magyarországon, mind pedig világszerte. Nem tisztázott azonban, hogy a különböző oxigenizáltságú közegekben mennyire eltérő mikroba közösségek alakulnak ki és azok milyen hatékonysággal vesznek részt a szennyezőanyagok lebontásában. A környezeti fenntarthatóság szempontjait is figyelembe véve érdemes feltárnunk, hogy a kármentesítés során szükséges-e aránylag magas oxigén telítettségi szintet biztosítani a közegben, vagy pedig elég mikroaerob viszonyokat kialakítani az aerob biodegradáció támogatásához. Az egyes I.2.C típusú C23O gének, illetve baktériumok szerepének tisztázása pedig segítene megérteni a szennyezett közegben végbemenő lebontási folyamatokat. Meg tudnánk ítélni, hogy a közeg mikroba közössége mely BTEX komponensek lebontására lehet képes, milyen esetleges beavatkozásokra van szükség az összes szennyezőanyag minél gyorsabb és minél környezetkímélőbb eltávolítására.
A stabil izotópos jelölés módszerét Magyarországon jelenleg egyedül a mi kutatócsoportunk alkalmazza, illetve dolgozik azon, hogy ez a ma már alapvető módszer a hazai keretek között is elterjedjen. Eredményeinknek köszönhetően ERC Consolidator Grant nyertes kutatóval (Dr. Tillmann Lueders) dolgozhattunk együtt, és a terület úttörőjének számító Ronald H. Olsen (Professor Emeritus, University of Michigan) elismerését is sikerült elnyernünk. Ezen felül aktív együttműködésünk van Alexander J. Probst-tal (Biofilm Centre, University of Duisburg-Essen), aki tenyésztésbe nem vonható baktériumok genomjának felépítésében van segítségünkre. Jelenleg egy Saccharibacteria baktérium ökológiai szerepének tisztázása terén dolgozunk együtt.
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.
Az egyszerű aromás szénhidrogének, mint a bizonyítottan rákkeltő hatású benzol, illetve a toluol, etil-benzol és a xilolok Magyarországon a leggyakoribb talajvízszennyező vegyületek közé tartoznak. Kőolajszármazékokkal (mint például a gázolaj) szennyezett közegekből mindig kimutathatóak, és mivel aránylag jól oldódnak a vízben, potenciális veszélyt jelentenek az öntöző- és ivóvízbázisokra. 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. A kutatás célja, hogy megismerjük azokat a mikroszervezeteket, amelyek felszín alatti közegekben akár nyomnyi mennyiségű oxigén jelenlétében is képesek a szennyezőanyagok gyors és teljes lebontására. Feltételezésünk szerint e baktériumok felhasználásával a szennyezett közegek megtisztítása költséghatékonyabbá és környezetbarátabbá válhatna.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The monoaromatic hydrocarbons like the carcinogenic benzene, and toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX compounds) are frequent groundwater contaminants in Hungary. Several microbes can use these compounds as sole source of carbon and energy, but mainly under aerobic conditions. Therefore, in subsurface ecosystems the contamination quickly decreases the availability of oxygen. In shallow, hydrodinamically active groundwater this leads to the formation of microaerobic conditions, while in deeper layers strictly anaerobic conditions evolve due to the contamination. Under these conditions, benzene and xylene can be persistent contaminants. It is known that microbial communities of oxygen-limited ecosystems with a persistent BTEX contamination are usually dominated by Betaproteobacteriales. Moreover, in layers where low amount of oxygen is present catechol 2,3-dioxygenase (C23O) genes encoding subfamily I.2.C-type extradiol dioxygenases can be found in large diversity. These enzymes are believed to function under microaerobic conditions. Our previous studies shed light on the diversity of subfamily I.2.C-type C23Os, while recent results of DNA and RNA-based stable isotope probing studies have revealed those microbes, which are capable of degrading toluene under microaerobic conditions. However, microaerobic degradation of benzene and xylenes is still a question. The aim of the present research proposal is to uncover the diversity of microbes capable of degrading benzene or xylenes under microaerobic conditions and to reveal the genetic background of microaerobic BTEX-degradation by using stable isotope probing and omics-based approaches.
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.
Microbial communities of oxygen-limited, BTEX-contaminated groundwater ecosystems are usually dominated by members of the Betaproteobacteriales (genera Rhodoferax, Acidovorax, Polaromonas, Delftia, Azoarcus, Burkholderia etc.). Besides, in these environments among catechol 2,3-dioxygenase (C23O) genes, which play key role in the cleavage of the aromatic ring, those are represented in large diversity which encode subfamily I.2.C-type extradiol dioxygenase enzymes. The main research question of the present proposal is that which microbes can degrade benzene and xylenes under microaerobic conditions. To reveal the diversity of microbes capable of microaerobic degradation of benzene, stable isotope probing, omics-based approaches and cultivation dependent techniques will be used. By applying simple enrichment culturing techniques, we would like to answer the basic question, how oxygen-limitation (microaerobic conditions) effects the biodegradation of the different xylene isomers. By the genome analysis of bacterial strains capable of microaerobic degradation of benzene or xylenes, we would like to uncover the genetic background and requirements of the process of microaerobic BTEX-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.
It is well known that the degradation of aromatic contaminants readily occurs under aerobic conditions, while on the other hand xylenes and the carcinogenic benzene can be persistent compounds in the absence of oxygen. Consequently, oxygen supply of BTEX contaminated subsurface environments is a frequently applied method in bioremediation to enhance contaminant degradation. However, it is not clear how different microbial communities evolve under different oxygen availability levels. A great question in the light of environmental sustainability is whether it is necessary to provide relatively high oxygen saturation in the contaminated subsurface environment or microaerobic conditions are sufficient for the formation of a successful BTEX-degrading microbial community. Revealing the role of subfamily I.2.C-type C23Os in the microaerobic degradation of individual BTEX compounds would help us to better understand functions and processes in the contaminated subsurface environments. This would enable to better assess which BTEX compounds can be metabolized by the microbial community and what kind of intervention is needed to enhance the degradation.
Our research group is the only in Hungary which uses the method of stable isotope probing in microbial ecology studies. Due to our results we have an active cooperation with Dr. Tillmann Lueders (expert of anaerobic biodegradation and the method of stable isotope probing and holds an ERC Consolidator Grant). Our latest results were also acknowledged by Ronald H. Olsen (Professor Emeritus, University of Michigan) who performed pioneer research on the microaerobic degradation of aromatic compounds. We also have an active collaboration with Alexander J. Probst (expert of genome-resolved metagenomics, professor at Biofilm Centre, University of Duisburg-Essen). We are working together to reveal the ecological role of a yet uncultivated Saccharibacteria bacterium in hydrocarbon contaminated groundwater.
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.
The simple monoaromatic hydrocarbons such as the carcinogenic benzene and toluene, ethylbenzene and xylenes are among the most frequent groundwater contaminants in Hungary. They are always detectable in petroleum hydrocarbon contaminated environments. Due to their relatively large water solubility they can easily transferred from soil to groundwater, a major resource of drinking water. Therefore, clean-up of the contaminated subsurface environments is always obligatory by law in Hungary. Fortunately, several microbes can degrade these potentially harmful chemical compounds and with the help of their metabolic activity the contaminated environments can be treated. The aim of the project is to reveal those microbes which are capable of degrading the aromatic contaminants in subsurface ecosystems even under microaerobic conditions. Our concept is that the application of such bacteria would enable more cost-effective and environmentally sound bioremediation of contaminated sites.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
