< Terug naar vorige pagina

Project

Microbiële afbraak van gechloreerde ethenen in hyporerische zone: processen en aanpassing strategiën.


Gechloreerde alifatische koolwaterstoffen (CAHs) zoals tetrachloorethyleen (PCE) en trichloorethyleen (TCE), en hun afbraakproducten cis</>-dichloorethyleen (cDCE) en vinyl chloride (VC) behoren tot de belangrijkste grondwatercontaminanten. Op vele industriële terreinen wordt de infiltratie waargenomen van CAH vervuild grondwater in oppervlaktewaters zoals rivieren en meren. Onderzoek en technologie ontwikkeling voor de bescherming van oppervlaktewater waarin CAH gepollueerd grondwater terecht komt, is vnl gericht naar bronremediatie en pluimbehandeling in het grondwatercompartiment. In sedimenten van rivierbeddingen- beter gekend </>als de </>hyporheïsche</> zone- komt echter een breed spectrum van natuurlijke CAH attenuatieprocessen voor zoals </>sorptie, verdunning en biodegradatie. B</>iodegradatie van CAHs is het enige mechanisme waarbij CAHsdestructief uit het milieu worden verwijderd en kan plaatsgrijpen via bacteriële metabolische processen zoals organohalide respiratie (OHR) onder anoxische omstandigheden en aerobe degradatie onder oxische omstandigheden. Ondanks de kritische rol van biodegradatie in de bepaling van contaminantfluxen naar de ontvangende ecosystemen, en in de inschatting vande nood aan bijkomende remediatie acties, is informatie over de CAH biodegradatie processen in de </>hyporheïsche</> zone beperkt. Voornamelijkhet potentieel voor de combinatie van aerobe/anaerobe afbraak van CAH in de </>hyporheïsche</> zone heeft tot nog toe slechts beperkte aandachtgekregen. De</> objectieven van dit doctoraat waren daarom om de onderliggende processen betrokken in zowel de anaerobe als aerobe microbiële afbraak van</> CAHs in de hyporheïsche zone te bestuderen. Bovendien werden remediatiestrategieën ontwikkeld om de influx van CAHs in de ontvangende oppervlaktewaters te verminderen of te voorkomen. De studie concentreerde zich op de hyporheïsche zone van een industriële locatie aan de Zenne rivier in België waar een VC/cDCE verontreinigde grondwaterpluim de rivier infiltreert. Een vorige studie toonde in de hyporheïsche zone vandeze locatie de aanwezigheid aan van een cDCE/VC dehalorespirerende biodegradatie activiteit. </></>
Aangezien riviersedimenten in de hyporheïsche zone vaak worden gekenmerkt door het bestaan van scherpe redox gradiënten tussen de oxisch bentische sedimenten en de onderliggende anoxische sedimenten, kan de hypothese gesteld worden dat de hyporheïsche zone een potentiële niche vormt voor zowel aerobe als anaerobe VC afbrekers. Deze hypothese werd getest door in microcosme-experimenten de afbraak van VC en de dynamiek van anaerobe en aerobe VC afbrekers te onderzoekenin oppervlakteriviersedimenten afkomstig van de hyporheïsche zone van de studielocatie en dit onder anoxische en aan zuurstof blootgestelde statische omstandigheden. Na de afbraak van 3 consecutieve spikes van VC, toonde Quantitatieve PCR (qPCR) aan dat zowel het aantal
D. mccartyi</> 16S rRNA genen als de aantallen VC reductieve dehalogenase genen (vcrA</>, bvcA</>) met meer dan vier ordes stegen in anoxische microcosmen en dat dit samenviel met de stoichiometrische omzetting van VC in etheen.In aan zuurstof blootgestelde microcosmen daarentegen werden de genen etnC</> en etnE</>, betrokken in aerobe etheen/VC-oxidatie, aangerijkt met meer dan één orde en met beperkte tot geen accumulatie van etheen. Hetaantal D.</> mccartyi</> 16S rRNA genen en vcrA</> en bvcA</> genen stegen echter ook sterk in aerobe microcosmen van sediment dat gekenmerkt werd door een hoog organisch koolstofgehalte, een kleine korrel grootte en een beperkte infiltratie van zuurstof. Deze genen verminderden echter met meer dan twee ordes in aerobe sedimenten gekenmerkt door een laag organisch koolstofgehalte, een grotere korrel grootte en diepere infiltratie van zuurstof. Deze resultaten suggereren de co-existentie en co-activiteit van anaerobe en aerobe VC afbrekers in hetzelfde kleine volume vanhet Zenne sediment. Bovendien beïnvloedt de zuurstof distributie, bepaald door de korrel grootte en het organisch koolstofgehalte van de sedimenten, de lokale VC afbrekende bacteriële gemeenschap en VC biodegradatieafbraakweg.</>
Hyporheïsche zones worden gekenmerkt door reguliere fluctuaties in redoxomstandigheden. </>Infiltratie van zuustofrijk oppervlakte water in de rivier sedimenten van de </>hyporheïsche</> zone en deresulterende </>redox fluctuaties kunnen eventueel sitespecifieke aerobe en anaerobe microbiële organismen en hun biodegradatie van contaminanten zoals cDCE en VC beïnvloeden. Om deze hypothese te testen, werden de resistentie en heropleving van aerobe en anaerobe VC/cDCE afbrekers onder variërende redox condities bestudeerd in Zenne sedimentmicrocosmen. Demicrocosms werden geïncubeerd onder anoxische statische condities. Telkens als 3 opeenvolgende VC/cDCE spikes waren afgebroken, werden de redoxen incubatie condities veranderd door zuurstof aan de microcosms toe tevoegen en/of de microcosms al schuddend te incuberen. De resultaten tonen aan dat in vergelijking met de statische anoxische condities, blootstelling aan zuurstof onder statische condities resulteerde in een verhoging van de VC afbraak snelheid (factor 1,5-3,4) en een aanrijking van de catabolische genen etnC</> en</> etnE.</> Alhoewel, bij blootstelling aan zuurstof onder schuddende condities, werd </>oxidatieve VC assimilatie enkel waargenomen in sedimenten met een laag organisch koolstofgehalte. Bovendien werd onder deze condities een 5 maal hogere afbraak snelheid vastgesteld dan onder anoxische incubaties. In deze sedimenten werd de VC/cDCE respiratie activiteit verlaagd door de blootstelling aan zuurstof onder schuddende condities wat samenging met een afname met meer dan twee ordes van het aantal D.</> mccartyi</>. Deze impact op de heropleving van de organohalide respirererende bacteriën (OHRB) resulteerde in een irreversibele hindering van OHR onder de daaropvolgende opgelegde anoxische statische condities. Oxidatieve VC assimilerende organismen bleken geen cDCE te degraderen. In sedimenten met een hoog organisch koolstofgehalte daarentegen, waar OHRB beschermd worden tegen zuurstof onder zuurstof rijke statische conditie, bleek de VC/cDCE verwijdering niet-assimilatief vermits in deze microcosms ethenotrofe assimilatie van de etheen die werd geproduceerd door VC/cDCE respiratie resulteerde in een misinterpretatie van aerobe afbraakl. Deze resultaten suggereren dat zuurstof infiltratie en organische koolstof verdeling in hyporheïsche zones niet enkel de selectie van de biodegradatieweg beïnvloedt maar ook een rolspeelt in de lange termijn microbiële adaptatie wat betreft assimilatieve aerobe afbraak van VC. </>
In situ</></> bioreactieve capping is een veelbelovende techniek om de contaminatie van oppervlaktewater door polluenten afkomstig van sedimenten of infiltrerend grondwater te voorkomen. In bioreactieve caps worden de contaminanten door microbiële processen omgezet in onschadelijke producten. Stimulatie van de CAH afbraak in bioreactieve caps gebeurt door de incorporatie van vaste polymerische organische materialen (SPOMs) die optreden als een duurzame electronenbronvoor reductieve CAH dehalorespiratie door OHRB</>. </>In een derde deelvan de studie werd het potentieel onderzocht van natuurlijke SPOMs om CAH dechlorinatie in een bioreactieve cap te stimuleren. </>Vijf verschillende </>SPOMs - hout chips, hooi, stro, boomschors en garnaalafval - werden onderzocht wat betreft hun langdurige toepassing als electronendonor voor reductieve dechlorinatie van cDCE en VC in microcosme-experimenten met sedimenten van de Zenne. De verdeling van reducerende equivalententussen OHR en methanogenese en de dynamiek van de microbiële groepen gekoppeld aan deze microbiële activiteiten werden bestudeerd. Het doel wasom een electronenbron te vinden die eerder OHR stimuleert dan methanogenese. De initiële snelle vrijstelling van fermentatie producten zoals acetaat, propionaat en butyraat leidde tov de natuurlijke attenuatie conditie tot een 171, 152, en 112 maal hogere methaanproductie en dit voornamelijk in </>microcosmen waaraan garnaalafval, stro of hooi werd toegevoegd. Bovendien werd er in deze eerste fase van het experiment in geen enkele van de microcosmen VC respiratie gestimuleerd. Op langere termijn verlaagde echter zowel de productie van korte keten vetzuren als de methanogeneseactiviteit terwijl een duurzameactiviteit van VC en cDCE dechlorinatie ontstond. Bovendien namen </>D.</></> </>mccartyi</></> </>en zijncatabolische genen vcrA</> en bvcA</> in aantal toe zowel in het sediment als op het oppervlakte van het SPOM materiaal. Gebaseerd op zo wel desnelle en persistente kolonisatie van boomschors door D.</> </>mccartyi</></> </>als de 4 tot 12 maal lagere methanogenese activiteit in deze conditie tov de andere SPOMs, lijkt boomschors de te verkiezen SPOM voor lange termijn stimulatie van CAH dehalorespiratie in bioreactieve caps. </>
In het vierde deel van de studie werd de samenstelling van de bacteriële gemeenschap in de </>hyporheïsche</> sedimenten van de Zenne rivier onderzocht voor en na de installatie van een waterzuiveringsstation (WWTP) stroomopwaarts van de studielocatie. Door de installatie van het WWTP wordt verwacht dat de organische belasting van de rivier zou dalen.De hypothese werd bevraagd dat de bacteriële gemeenschap met inbegrip van de OHRB van het sediment dat oorspronkelijk gevoed werd door de organische koolstof rijke belasting van de rivier, beïnvloed zou worden wat betreft samenstelling en structuur na de installatie van de WWTP omwille van de lagere organische belasting. De sequenties van bacteriële 16S rRNA fragmenten, geamplificeerd uit horizontale sediment lagen, werden bekomen door pyrosequencing. Deze sedimentstalen werden genomen voor (in 2005) en na (2010 en 2011) de bouw van de WWTP. Er werden grote verschillenin de bacteriële gemeenschapssamenstelling waargenomen in de sedimentenuit 2010 en 2011 t.o.v. van deze uit 2005. Deze verschillen gingen samen met een daling in het organisch koolstofgehalte. Proteobacteria </></>was de meest dominante phylum in de sedimenten van 2005 gevolgd door het Chloroflexi</> phylum waartoe OHRB zoals D.</> </></>mccartyi</></> </>behoren De relatieve hoeveelheid van Chloroflexi</> daalde zeer sterkvan gemiddeld 14,8% van de gekwalificeerde bacteriële reads in de sedimenten van 2005 naar respectievelijk 4,21 en 0,7 % in de sedimenten van 2010 en 2011. </>De meer oxische en oligotrofe sedimenten van 2011 waren geassocieerd met een sterke daling in copiotrofe en anaerobe microbiële groepen en een aanrijking van oligotrofe leden van de Alpha</>- en Betaproteobacteria. </>Bovendien toonden de resultaten een verlaagdespecies rijkdom en diversiteit aan in de sedimenten van </></>2011. De resultaten bekomen via qPCR toonden een daling met meer dan twee ordes in het aantal bacteria en D.</> </></>mccartyi</></> 16S rRNA gen </>aan in de sedimenten met de tijd. Dit ging samen met een sterke daling inhet anaeroob VC respiratie potentieel van het sediment. Alhoewel de installatie van de WWTP en de daaropvolgende daling in organisch koolstof gehalte resulteerden in een daling in bacteriële biomassa en diversiteit,werd ook een daling in OHR potentieel en natuurlijke attenuatie capacitiet van de hyporheïsche sedimenten van de Zenne waargenomen. </>
Samenvattend toont deze studie de rol van aerobe assimilatieve VC biodegradatie in </>hyporheïsche</> sedimenten en het belang om deze activiteit naast OHR in te schatten om een volledig beeld te krijgen van de bijdrage van biodegradatie in mitigatie van CAH input in het oppervlaktewater. Verder toont de studie het potentieel van de incorporatie van SPOMs als traagafbrekend natuurlijk organisch materiaal in bioreactieve caps om OHR te stimuleren voor een betere bescherming van rivieren tegen infiltrerend CAH verontreinigd grondwater. De resultaten van het laatste deel van de studie tonen nogmaals de rol van organische materie in OHR in </>hyporheïsche</> zones aan en toont de invloed van rivierhabilitatie op die activiteit. De lokale applicatie van in situ</> bioactieve caps of de activiteit van aerobe CAH afbrekers kan resulteren in rivierprotectie tegen infiltrerend CAH verontreinigd grondwater.</>
</> 
Datum:1 okt 2009 →  18 jun 2013
Trefwoorden:River sediment, VOCL, River basin, Biodegradation
Disciplines:Microbiologie, Systeembiologie, Laboratoriumgeneeskunde, Biochemie en metabolisme, Medische biochemie en metabolisme, Duurzaamheids- en milieutechniek, Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project