Sociomicrobiology of biofilm forming, hydrocarbon degrading and ureolitic bacteria for bioremediation purposes  Page description

Help  Print 
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
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.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Egy három tagból álló konzorcium kifejlesztése volt a cél: V. paradoxus BFB1_13, P. veronii BFHA4_7 és S. pasteurii DSM 33. A BFB1_13-as és BFHA4_7-es törzsek, amelyek a konzorcium biofilmképző és szénhidrogénbontó tagjait képezik, együtt gyors és teljes BTEX-lebontásra képesek, szinergiában működve végzik a toxikus anyagok lebontását. Habár a V. paradoxus baktériumfaj széles metabolikus képessége ismert, a szakirodalomban nem találhatóak olyan V. paradoxus törzsek, amelyek mind a hat BTEX-vegyület bontására képesek. A BFB1_13-as izolátum esetében beazonosításra kerültek a BTEX-lebontásban részt vevő gének és metabolikus útvonalak a törzs teljes genomjának elemzésével. A szakirodalomban nem található olyan V. paradoxus és P. veronii fajokból álló konzorcium, amely képes a BTEX-vegyületek lebontására. A DSM 33-as törzs, amely a konzorcium ureolitikus kalcium-karbonát precipitációra képes tagja, közvetlen módon nem gátolja az előző két törzs hatékony BTEX-bontó képességét. Sőt, a BFB1_13-as és BFHA4_7-es izolátumok sem gátolják a DSM 33-as törzs kalcium-karbonát precipitációs képességét. Ellenben, közvetett módon a DSM 33-as törzs gátolja a konzorcium másik két tagjának metabolikus képességét, ugyanis a laboratóriumi szintű biobarrier kísérletek során a konzorcium BTEX-bontó tagjai a kalcium-karbonát kristályokba záródtak és inaktiválódtak. Egy reaktív résfal kialakítása során a porózus közeg összecementálása az első lépés, amelyet beoltunk a konzorcium BTEX-bontó tagjaival.
Results in English
The aim was the development of a three-membered consortium made of V. paradoxus BFB1_13, P. veronii BFHA4_7 and S. pasteurii DSM 33. Strains BFB1_13 and BFHA4_7, the biofilm forming and petroleum-hydrocarbon degrading members of the consortium, were capable of degrading together all the six BTEX-compounds. Although, V. paradoxus isolates are metabolically versatile, in the literature there are no other V. paradoxus isolates capable of degrading all the six BTEX-compounds. In the case of strain BFB1_13, functional genes and metabolic pathways involved in BTEX-biodegradation were elucidated based on whole genome sequencing and analysis. In addition, in the literature there are no other bacterial consortia made of V. paradoxus and P. veronii capable of BTEX-biodegradation. Strain DSM 33, the ureolytic calcium-carbonate precipitating member of the consortium, did not inhibit directly the BTEX-biodegradation capacity of the previous two bacteria. Strains BFB1_13 and BFHA4_7 did not inhibit the MICP properties of strain DSM 33 either. However, strain DSM 33 indirectly inhibited the metabolic capacity of strains BFB1_13 and BFHA4_7; during the development of reactive mineral-biobarriers the biofilm forming and BTEX-degrading strain get trapped in the calcium-carbonate crytals produced by strain DSM 33 and became inactivated. During the establishment of mineral-biobarriers first the cementing of the porous matrix should take place followed by its inoculation with BTEX-degraders.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128831
Decision
Yes





 

List of publications

 
Benedek, T., Szentgyörgyi, F., Szabó, I., Farkas, M., Duran, R., Kriszt, B., Táncsics, A.: Aerobic and oxygen-limited naphthalene-amended enrichments induced the dominance of Pseudomonas spp. from a groundwater bacterial biofilm., Applied Microbiology and Biotechnology 104: 6023-6043, 2020
Benedek, T., Szentgyörgyi, F., Gergőcs, V., Menashe, O., Figueroa-Gonzlez, A., Probst, A., Lauchnor, E., Kriszt, B., Táncsics, A.: A comprehensive study to assess the applicability of Variovorax paradoxus strain BFB1_13 in the bioremediation of BTEX-contaminated sites. Prediction of BTEX metabolic pathways from whole-genome sequence analysis, The manuscript is ready for publication, for submission to the journal. It will be published in the journal of "Environmental Pollution", 2021
Benedek T, Szentgyörgyi F, Táncsics A, Kriszt B: Engineering a bacterial consortium for the complete and rapid biodegradation of all the six BTEX-compounds., Annual Congress of the Hungarian Society of Microbiology, XIV. Fermentation Colloquium - Abstract book - pages 6-7, 2020
Szentgyörgyi F, Táncsics A, Tóth E, Kriszt B, Benedek T: Engineering a bacterial consortium for bio-cementing porous matrix applicable in bioremediation, Annual Congress of the Hungarian Society of Microbiology, XIV. Fermentation Colloquium - Abstract book - pages 34-35, 2020
Szentgyörgyi F, Kriszt B, Benedek T: Investigation of ureolytic calcium-carbonate precipitating ability of biofilm-bacteria for innovative biotechnological purposes, XIV. Szent-Györgyi Albert Conference, April 24-25 – Conference cancelled due to Covid-19 pandemic, 2020




Back »