< Terug naar vorige pagina

Project

Inzicht in interspecies interacties die het succes van bioaugmentatie van een pesticide-afbrekende bacterie in een microbiële gemeenschap beïnvloeden

In Europa overschrijden de residuconcentraties van bestrijdingsmiddelen in zoet water dat wordt gebruikt voor de productie van drinkwater, vaak de drempelconcentratie van 0.1 μg/L voor een afzonderlijke verbinding. Als gevolg hiervan worden dure zuiveringsstappen opgenomen in drinkwaterzuiveringsinstallaties (DWTPs). Microbiële afbraak wordt beschouwd als een duurzaam economisch verantwoord alternatief voor het verwijderen van pesticiden in DWTPs. 2,6-dichloorbenzamide (BAM), een transformatieproduct van het herbicide dichlobenil, is een veel voorkomende microverontreiniging in grondwater in Europa en veroorzaakt grote problemen voor de drinkwaterproductie. Aminobacter niigataensis MSH1 die BAM gebruikt als koolstofbron en de stof mineraliseert, is een kandidaat voor bioaugmentatie van zandfilters in DWTPs om BAM te verwijderen uit het water. De functionaliteit op lange termijn van het organisme wordt echter in gevaar gebracht door verlies van celdichtheid en activiteit in het oligotrofe systeem. Bioaugmentatie omvat een invasieproces dat de vestiging en activiteit van een vreemde microbe in de lokale gemeenschap van de doelomgeving vereist. Interacties met residente micro-organismen, hetzij antagonistisch of coöperatief, worden verondersteld de invasie te beïnvloeden. Er zijn echter maar weinig studies die de microbiële interacties tussen een indringer en een inwonende soort van zijn doelomgeving hebben onderzocht, en geen van hen beschouwde een bioremediatie-context. Het algemene doel van deze PhD thesis was om onze kennis over de interacties tussen de BAM-afbrekende stam MSH1 en zandfilter-residente bacteriën te verbeteren in de context van bioaugmentatie van DWTP zandfilters en om cooperatieve interacties die leiden tot verbeterde BAM afbraak te karakteriseren.

In het eerste deel van de studie was het doel om de aard van de interacties tussen MSH1 en zandfilter-residente bacteriën in twee- en drieledige assemblages in zandmicrokosmos te onderzoeken, vooral met betrekking tot het gedrag van de residente organismen. Hiertoe werden zandmicrokosmos-experimenten uitgevoerd die de oligotrofe DWTP-zandfilteromgeving nabootsten. BAM-mineralisatie, de doelfunctionaliteit, werd gemeten, evenals de celdichtheden van MSH1 en van de zandfilter residente stammen na een competitiefase, om de interactie te scoren. Zoals eerder aangetoond (Vandermaesen et al., 2017), beïnvloedden de residente stammen, de door MSH1 gemedieerde BAM-mineralisatie echter zonder altijd de MSH1-celdichtheden te beïnvloeden, wat eerder wijst op effecten op de celfysiologie in plaats van op het aantal cellen. Exploitatieve competitie verklaarde de meeste effecten (70%), maar er werden ook aanwijzingen voor interferentiecompetitie gevonden. Interessant was dat twee residente stammen nl.  Piscinibacter sp. K169 en Brachybacterium sp. S51, werden geïdentificeerd die de BAM-mineralisatie in twee-ledige assemblages met MSH1 verbeterden en de negatieve effecten van antagonistische residente stammen in drie-ledige systemen te niet deden. Bovendien ging het gunstige effect van zowel  Piscinibacter sp. K169 als Brachybacterium sp. S51 op de functionaliteit van MSH1 gepaard met verhoogde celaantallen van K169 en S51, wat wijst op een mutualistische interactie tussen MSH1 en deze twee zogenaamde "benefactor" stammen. Co-inoculatie van MSH1 met dergelijke benefactor-stammen waarbij de benefactor-stam – die aangepast is aan de doelomgeving - de fitheid en activiteit van MSH1 ondersteunt, werd voorgesteld als een nieuw strategie om bioaugmentatie te verbeteren.

In het tweede deel van het proefschrift werd de rol van de initiële populatiegrootte en de beschikbare organische koolstofbronnen in de mutualistische interactie tussen Piscinibacter sp. K169 en A. niigataensis MSH1 in zandmicrokosmos-experimenten onderzocht. De interactie tussen MSH1 en K169 werd alleen verstoord wanneer de celdensiteit van één van de twee partnerstammen niet hoger was dan 104 cellen/ml. Het toedienen van acetaat als supplementaire koolstofbron bleek overbodig voor het verbeteren van de BAM-mineralisatie. Daarentegen bleek de organische koolstof op het zand onmisbaar. Het effect op de BAM-mineralisatie verdween immers en geen van de twee stammen vertoonde groei in zand waarvan de organische koolstof verwijderd was. De zandmatrix zelf was niet nodig. Deze resultaten suggereren dat de de mutualistische interactie tussen K169 en MSH1 afhankelijk is van de intrinsieke organische koolstof aanwezig op het zand en dat de mutualistische interactie tussen de twee stammen blijft wanneer beide stammen worden geënt bij vergelijkbare celdichtheden die hoger zijn dan 104 cellen/ml. Deze bevindingen ondersteunen het gebruik van K169 voor het assisteren van bioaugmentatie met MSH1 in DWTP zandfilters, aangezien er geen extra koolstof hoeft te worden toegevoegd en relatief lage initiële celdichtheden kunnen worden gebruikt.

In het derde deel van deze studie werd de vraag gesteld en onderzocht of dergelijke mutualistische interactie tussen MSH1 en K169, ook plaatsgrijpt met andere pesticide-afbrekende bacteriestammen van hetzelfde of een ander geslacht van MSH1. Bovendien hebben we de persistentie van de interactie onderzocht door mineralisatie en celdichtheden te scoren niet alleen na 7 dgaen incubatie maar ook na 14 dagen. Naast BAM-mineralisatie door MSH1, stimuleerde K169 BAM- en 2,4-D-mineralisatie door respectievelijk Aminobacter niigataensis LG1 en Cupriavidus necator JMP134, terwijl linuron-mineralisatie door Variovorax sp. SRS16 en carbofuran-mineralisatie door Novosphingobium sp. KN65.2 niet werden beïnvloed. Aan de andere kant werd de groei van K169 gestimuleerd in aanwezigheid van alle pesticide-afbrekers behalve JMP134. Na 2 weken waren de gunstige effecten van K169 op de functionaliteit van MSH1, LG1 en JMP134 verminderd of zelfs omgezet in een negatief effect, waarschijnlijk door uitputting van de voedingsstoffen. Daarentegen bleven de celdichtheden van K169 in alle tweeledige systemen hoger dan in het K169 monospecies-systeem. Deze bevindingen breiden het gunstige effect van Piscinibacter sp. K169 uit naar andere pesticiden en opent deuren voor Piscinibacter sp. K169 ondersteunde bio-augmentatie van meerdere pesticide-afbrekers in drinkwaterbehandeling.

In het laatste deel van deze studie werden de onderliggende moleculaire mechanismen van de mutualistische interactie tussen Piscinibacter sp. K169 en A. niigataensis MSH1 onderzocht. Hiertoe werden hypothesen met betrekking tot de mechanismen voorgesteld door de volledige genoomsequenties van de twee individuele organismen te analyseren, waarbij complementaire metabolismes werden geïdentificeerd die zouden kunnen wijzen op betrokkenheid van “cross-feeding” en/of celsignalering. Om deze hypothesen te onderzoeken, werd een differentiële transcriptomische analyse uitgevoerd op systemen van mono- versus tweeledige speciessoorten, maar helaas werd RNA van voldoende kwaliteit slechts verkregen van twee van de K169 mono-speciessystemen en één K169-MSH1 duo-speciessysteem. Cross-feeding van aminozuren, koolhydraten, cofactoren, aromatische afbraakproducten en energiedragers werden geïdentificeerd als een mogelijk mechanisme voor het ondersteunen van de groei van K169 door MSH1. Bovendien werden genen putatief betrokken bij chemotaxis en het tweecomponentensysteem opgereguleerd in K169 in het tweeledige species-systeem in vergelijking met het K169 mono-speciessysteem. Aanvullende RNAseq-experimenten zijn vereist om deze preliminaire resultaten te verifiëren.

Datum:7 sep 2018 →  20 jun 2023
Trefwoorden:pesticide biodegradation, multispecies biofilms, bioremediation, microbial invasion, microbial interaction
Disciplines:Bodemwetenschappen, uitdagingen en vervuiling, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer
Project type:PhD project