Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the surface ocean

Abstract

Increasing quantities of organic pollutants (OP) are being released to the environment, posing a threat to Earth’s life system. In the marine environment, OP pollution caused by oil spill accidents receives a lot of academic and societal attention. However, the magnitude of semi-volatiles OP introduced by atmospheric deposition and by maritime currents is orders of magnitude larger. Little is known, however, about the cycling of these background OP in the oceans and their effects to marine ecosystems. It is believed that an important sink of OP in the marine environment must be microbial biodegradation, since it is widely recognized their capacity to consume many OPs. However, neither the magnitude of biodegradation, the identity of the main degraders nor OP effects to microorganisms, is known. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and other semi-volatile hydrocarbons are among the most abundant OP in the marine environment. Their wide spectrum of physicochemical properties make PAH family an ideal surrogate to study the biogeochemistry of OP in seawater. This thesis focuses on the biodegradation activities under background concentrations of PAH in the upper ocean, and the co-occurring microbial responses to this exposure. The goals of this work are: 1) to get insights into microbial PAH biodegradation under realistic conditions in different upper ocean environments by means of biogeochemical, molecular and genomic approaches, 2) identify the main players and describe the main metabolisms co-occurring along with biodegradation in the interaction between PAH and microorganisms by means of physiological measurements and metatranscriptomic approaches, and 3) localize marine hot spots of PAH biodegradation and describe some of the main physicochemical influencing factors of biodegradation. For these purposes we did short term incubations with background concentrations of PAH, mimicking those conditions found in the surface ocean in several oceanic provinces with contrasted physicochemical conditions. We used molecular biology and analytical chemistry techniques to calculate biodegradation taxes and evaluate the changes in the composition and genetic expression profiles of microbial communities exposed to PAH ambient levels. We found that PAH microbial metabolic capacity is a widespread trait in the global upper ocean although PAH biodegradation rates span in a wide range of values. These findings strongly suggest a fundamental role of microbial degradation as a relevant driver of PAH fate in the upper ocean. We observed that PAH at background concentrations after short term exposure (24-48 hrs) had an impact on microbial communities compositions and functionality. The main taxa responsible for PAH biodegradation at background concentrations varied depending on the site and the habitat, and included many different groups. The battery of genes expressed during PAH exposure included PAH degrading genes plus genes involved in stress response and detoxifying strategies among others. Comparison of results from the different sites identified new environmental drivers affecting the efficiency of PAH biodegradation in the upper ocean beyond those already described and those that are commonly overlooked: bacterial life-style (PA vs free-living), microbial community pre-exposure history to organic pollutants and the habitat (specially the SML). Overall, this thesis adds new information and field-based evidence regarding the microbial controls over the fate and transport of the background PAH concentrations in the surface ocean. In a context of increasing emissions and global change, it becomes crucial to be able to forecast the fate of OP once in the ocean. This requires understanding at a mechanistic level how do microbial metabolic processes and the pool of OP in the ocean intertwine, in order to elucidate a more updated, and always evolving, global carbon cycle. Quantitats creixents de contaminants orgànics (CO) s’alliberen al medi ambient, cosa que suposa una amenaça per al sistema de vida de la Terra. En el medi marí, la contaminació causada per vessaments de petroli accidentals rep molta atenció tant acadèmica com social. No obstant això, la magnitud de la contaminació per CO semi-volàtils que arriba als oceans de manera difusa és ordres de magnitud més gran en comparació als vessaments accidentals. Actualment hi ha poca informació sobre el cicle d'aquests CO a la columna d’aigua i sobre quins són els efectes que causen sobre els ecosistemes marins. Es creu que un destí important dels CO al medi marí són els processos de biodegradació per part dels microorganismes, ja que és àmpliament reconeguda la seva capacitat per consumir molts CO. Tanmateix, no es coneix ni la magnitud de la biodegradació ni la identitat dels principals degradadors, ni tampoc els efectes dels CO als microorganismes. Els hidrocarburs aromàtics policíclics (HAP) i altres hidrocarburs semi-volàtils es troben entre els CO més abundants en el medi marí. L’ampli espectre de propietats fisicoquímiques dels HAP els converteixen en un model ideal per estudiar la biogeoquímica dels CO a l'aigua de mar. Aquesta tesi es centra en les activitats de biodegradació sota concentracions ambientals realistes de HAP a les aigües marines superficials i les respostes microbianes concomitants a aquesta exposició. Els objectius d'aquest treball són: 1) explorar la biodegradació microbiana de HAP en condicions realistes en diferents entorns d’aigües superficials marines mitjançant tècniques biogeoquímiques, moleculars i genòmiques, 2) identificar els principals actors de la degradació i descriure els principals metabolismes que coexisteixen juntament amb la biodegradació mitjançant mesures fisiològiques i tècniques metatranscriptòmiques i 3) localitzar “punts calents” de biodegradació de HAP en hàbitats marins i descriure alguns dels principals factors fisicoquímics que influeixen en la biodegradació. Per tal d’assolir els objectius, hem realitzat incubacions de curta durada amb aigua superficial marina amb nivells de HAP ambientals, imitant les concentracions que es troben a l'oceà superficial en diverses províncies oceàniques i amb condicions fisicoquímiques contrastades. En particular, el treball de camp es va desenvolupar a l'Antàrtida Marítima, al NE del Pacífic subàrtic i al NO del Mediterrani. Es va utilitzar tècniques de química analítica i biologia molecular per obtenir les taxes de biodegradació i avaluar els canvis en la composició i els perfils d'expressió gènica de les comunitats microbianes exposades a nivells ambientals de HAP. Els resultats indiquen que la capacitat microbiana de biodegradació dels HAP és un tret estès a l'oceà superficial a escala global, tot i que les taxes de biodegradació dels HAP tenen una gran variabilitat. Aquestes troballes suggereixen el paper fonamental de la biodegradació microbiana com a un del principals processos que modulen el destí dels HAP a l'oceà superficial. En els experiments d’incubació vam observar que les exposicions a curt termini (24-48 hores) amb concentracions ambientals de HAP tenen un impacte en la composició i la funcionalitat de les comunitats microbianes. Els principals tàxons responsables de la biodegradació dels HAP a concentracions ambientals variaven segons el lloc i l'hàbitat, i inclouen molts grups diferents. Durant els experiments de curta exposició les poblacions de bacteris hidrocarbonoclàstics (BHC), és a dir, els bacteris especialitzats en l'ús d'hidrocarburs com a font de carboni i energia, van esdevenir actors clau en la biodegradació. La bateria de gens expressats durant l'exposició als HAP inclou gens de degradació de HAP, a banda d’altres gens implicats en donar resposta a l'estrès i altres estratègies de desintoxicació.