Altered active pyrene degraders in biosurfactant-assisted bioaugmentation as revealed by RNA stable isotope probing

Teng, Tingting; Liang, Jidong; Zhu, Jia; Jin, Pengkang; Zhang, Dayi

doi:10.1016/j.envpol.2022.120192

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“…The biostimulation effect of neat biodiesel was recently reviewed by [ 59 ]. It was also shown that rhamnolipids enhance pyrene bioaugmentation as a carbon source and as a biosurfactant, stimulating more active pyrene degraders and reconstructing microbial communities [ 73 ].…”

Section: Bioaugmentation Strategymentioning

confidence: 99%

Current Trends in Bioaugmentation Tools for Bioremediation: A Critical Review of Advances and Knowledge Gaps

Muter

2023

Microorganisms

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Bioaugmentation is widely used in soil bioremediation, wastewater treatment, and air biofiltration. The addition of microbial biomass to contaminated areas can considerably improve their biodegradation performance. Nevertheless, analyses of large data sets on the topic available in literature do not provide a comprehensive view of the mechanisms responsible for inoculum-assisted stimulation. On the one hand, there is no universal mechanism of bioaugmentation for a broad spectrum of environmental conditions, contaminants, and technology operation concepts. On the other hand, further analyses of bioaugmentation outcomes under laboratory conditions and in the field will strengthen the theoretical basis for a better prediction of bioremediation processes under certain conditions. This review focuses on the following aspects: (i) choosing the source of microorganisms and the isolation procedure; (ii) preparation of the inoculum, e.g., cultivation of single strains or consortia, adaptation; (iii) application of immobilised cells; (iv) application schemes for soil, water bodies, bioreactors, and hydroponics; and (v) microbial succession and biodiversity. Reviews of recent scientific papers dating mostly from 2022–2023, as well as our own long-term studies, are provided here.

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Section: Bioaugmentation Strategymentioning

confidence: 99%

Current Trends in Bioaugmentation Tools for Bioremediation: A Critical Review of Advances and Knowledge Gaps

Muter

2023

Microorganisms

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“…Stable isotope probing (SIP) of DNA can assess trophic linkages between microbes or identify their contributions to specific functions in the environment [28]. SIP has been widely applied to trace carbon transfer in soil food webs [29][30][31][32], and to identify microbial degraders in bioremediation processes [33][34][35][36][37][38]. Most commonly, a labelled substrate is added to the soil to follow its fate as it is consumed by the soil biota.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Analysis of predation-driven inoculum loss and carbon flow in bioaugmented soils through DNA-SIP

Nieto,

Jurburg,

Steinbach

et al. 2024

Preprint

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Bioaugmentation is considered as a sustainable and cost-effective methodology to recover contaminated environments, but its outcome is highly variable. Predation is a key top-down control mechanism affecting inoculum establishment, however its effects on this process have received little attention. This study focused on the impact of trophic interactions on bioaugmentation success in two soils with different pollution exposure histories We inoculated a 13C-labelled pollutant-degrading consortium in these soils and tracked the fate of the labelled biomass through stable isotope probing (SIP) of DNA. We identified active bacterial and eukaryotic inoculum-biomass consumers through amplicon sequencing of 16S rRNA and 18S rRNA genes coupled to modified enrichment factor calculation. Inoculation effectively increased PAH removal in short-term polluted soils but not in long-term polluted soils. A decrease in the relative abundance of the inoculated genera was observed already on day 15 in the long-term polluted soil, while growth of these genera was observed in the short-term polluted soil, indicating establishment of the inoculum. In both soils, eukaryotic genera dominated as early incorporators of 13C-labelled biomass, while bacteria incorporated the labelled biomass at the end of the incubation period, probably through cross-feeding. We also found different successional patterns between the two soils. In the short-term polluted soil, Cercozoa and Fungi genera predominated as early incorporators, whereas Ciliophora, Ochrophyta and Amoebozoa were the predominant genera in the long-term polluted soil. Our results showed differences in the inoculum establishment and predator community behaviours, affecting bioaugmentation efficiency. This highlights the need to further study predation effects on inoculum survival to increase the applicability of inoculation-based technologies.

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“…Para matrices complejas, como suelos con contaminación crónica con baja biodisponibilidad de PAH, la aplicación combinada de bioaumento y bioestimulación es una estrategia que ha mostrado ser eficiente en la remoción de estos contaminantes (Wolf &Gan 2018;Chaudhary et al,2021;Behera et al,2022;Teng et al,2022)…”

Section: I2 Biorremediación De Sitios Contaminados Con Pahsunclassified

“…La aplicación de SIP acoplada a la secuenciación de ácidos nucleicos (ADN o ARN) es ampliamente utilizada para estudiar los flujos de carbono en las redes troficas así como en procesos de mineralización de biomasa (Lueder et al,2006;Chatzinotas et al;2013;Kramer et al, 2016). En el campo de la biorremediación esta técnica ha permitido la identificación de organismos activos en la degradación de contaminantes (Li et al,2018;Li et al,2021;Teng et al,2021;Teng et al,2022).…”

Section: I6 Aplicación De Metodologías óMicas En Ecología Microbianaunclassified

“…El gen C230 no mostró diferencias entre los microcosmos inoculados y los controles, esto puede deberse a que participa en la vía baja de degradación de compuestos aromáticos por meta-clivaje, participando también Tesis Doctoral Esteban E. Nieto en otras rutas metabólicas que involucran compuestos aromáticos de un anillo. Teng et al (2022) estudiaron la correlación entre el número de copias de los genes RHDα-GN, RHDα-GP y C230 y la degradación de pireno, encontrando una correlación positiva solamente para el gen RHDα-GN para un proceso de atenuación natural.…”

Section: V5 Discusiónunclassified

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Estudio de cultivos bacterianos degradadores de PAH: desde los estudios de diversidad a la microbiómica funcional

Nieto

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En el último tiempo ha incrementado el interés en el diseño y la utilización de consorcios degradadores de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) como inoculantes, ya que ofrecen ventajas frente a los inoculantes monoespecíficos. La especialización funcional entre los miembros de un consorcio permite la realización de funciones más complejas y la reducción carga metabólica, aumentando la eficiencia de degradación de los contaminantes en comparación a los monocultivos. A su vez, los consorcios basados en interacciones positivas muestran mayor robustez. Sin embargo, en un proceso de bioaumento, los consorcios deben ser capaces de superar las barreras bióticas y abióticas que este nuevo ambiente le ofrece. Las interacciones competitivas con la comunidad nativa, así como la predación pueden limitar la densidad del inoculante. El objetivo de este trabajo de tesis fue el estudio de las interacciones interespecíficas entre los miembros de un consorcio para optimizar el diseño de consorcios microbianos degradadores para aplicación en procesos de bioaumento. A su vez, se estudió el impacto de las interacciones entre distintos inoculantes y la comunidad nativa del suelo y el impacto de las interacciones tróficas en el establecimiento del inoculante. En primer lugar, se diseño un cocultivo conformado por las cepas degradadoras de PAH Sphingobium sp AM y Burkholderia sp Bk. Este cocultivo mostró una eficiencia de degradación de distintos PAH superior a los monocultivos de cada cepa en ensayos a escala de laboratorio. Mediante el empleo de técnicas de biología molecular (RT-qPCR y metaproteómica) se evidencio que ambas cepas participan colaborativamente en la degradación de fenantreno (PAH modelo elegido), donde la cepa AM tendría un rol predominante en los primeros pasos de la degradación, y la cepa Bk utilizaría los metabolitos producidos por AM. Además, se observó subexpresión de enzimas vinculadas al estrés celular en ambas cepas lo cual indicaría una reducción en la carga metabólica. De esta manera, la división del trabajo explicaría el aumento en la eficiencia de degradación. En segundo lugar, se estudió la eficiencia de degradación del cocultivo y otros 2 consorcios definidos, denominados CS-1 y CS-4, en un proceso de bioaumento en microcosmos de suelo contaminado artificialmente con una mezcla de PAH. Los tres inoculantes mostraron una alta eficiencia en la degradación, en comparación a la comunidad nativa. Mediante el analisis de secuenciación del gen 16S rARN, se observó la predominancia de los géneros inoculados durante los primeros días de incubación, cuando aún la concentración de los PAH es detectable, mientras que al final del período de incubación la abundancia de los mismos disminuyó. A su vez, la inoculación tuvo un efecto estimulador de la comunidad nativa degradadora. Al final del periodo de incubación se observo una recuperación de la comunidad nativa en los sistemas inoculados, convergiendo con los microcosmos no contaminados ni inoculados (control). Finalmente se estudió el transferencia de la biomasa proveniente del cocultivo como inoculante y las interacciones tróficas con la comunidad nativa, en dos suelos con distinta historia de contaminación y eficiencia de degradación, mediante la técnica de SIP-DNA. Para ello, se marcó al inoculante con C13 y se identificaron aquellos géneros bacterianos y eucariotas enriquecidos en la marca. A partir de estos resultados, se observó que en ambos suelos los protistas mostraron una incorporación rápida de la marca, mientras que el número de géneros bacterianos enriquecidos aumentó más tardíamente. A su vez, en los microcosmos con suelo con contaminación aguda, se observó crecimiento de los géneros inoculados, reflejado en el aumento de sus abundancias en la fracción liviana. De esta manera, supervivencia del inoculante, y consecuentemente la eficiencia del proceso de bioaumento, estaría íntimamente relacionado al balance neto entre crecimiento y predación.

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Altered active pyrene degraders in biosurfactant-assisted bioaugmentation as revealed by RNA stable isotope probing

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Current Trends in Bioaugmentation Tools for Bioremediation: A Critical Review of Advances and Knowledge Gaps

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