Successional and spatial patterns of bacterial communities in hydrocarbon-contaminated soils and Populus rhizosphere

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0082-5
Title: Successional and spatial patterns of bacterial communities in hydrocarbon-contaminated soils and Populus rhizosphere
Author: Mukherjee, Shinjini
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, General Microbiology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-09-12
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0082-5
http://hdl.handle.net/10138/135730
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Ever-increasing urbanization and industrialization have led to contamination of a vast numbers of terrestrial sites with petroleum hydrocarbons. Petroleum hydrocarbon pollution has a deleterious impact on biotic and abiotic properties of ecosystem and can thereby affect some valuable ecosystem services. Microbes have the ability to metabolize various components of these harmful contaminants; this unique ability has been harnessed for decades in form of bioremediation and rhizoremediation, with varying success. Advanced knowledge on ecology of microbes in contaminated ecosystems can pave the way for improved design, optimization and monitoring of suitable bio-/rhizoremediation regimes in the clean-up of polluted sites. Recent developments in the molecular microbiology have enabled us studying microbial community structure, function and dynamics at great resolution and precision. In this thesis, two important dimensions of microbial ecology in polluted ecosystems were explored: temporal and spatial. Succession of microbial communities in contaminated soil and Populus rhizosphere were studied in two different experiments. A short-term greenhouse study was conducted to monitor the immediate response of rhizosphere-associated and soil bacterial communities to oil pollution. We further scaled up our study to monitor the bacterial succession during a 2-year field study which also allowed us to analyse the effect of seasonal variation in boreal climate zone. Finally, a case study on an aged creosote-contaminated site located in South-eastern Finland was carried out in order to investigate the spatial patterns of microbial diversity and activity in relation to the heterogeneity of soil chemical parameters. Dynamics and diversity of microbial communities were accessed by employing T-RFLP fingerprinting and 454 pyrosequencing of structural and functional marker genes. Successional changes in microbial communities could be observed in both our time-series experiments. High resolution sequencing of phylogenetic and catabolic marker genes for microbial community profiling not only enabled us to identify the bacterial groups during different stages of succession but also provided some insights on the structure-function relationship of bacterial communities. A gradual shift from specialist to generalist strategy was observed in the communities of aromatic and aliphatic degraders during the secondary succession in oil pollution. Effect of Populus rhizosphere on the general bacterial community structure was masked by the heavy oil pollution but upon careful examination of catabolic gene communities, rhizosphere-prevalent groups were observed. A significant variation in bacterial community structure was observed during the winter months pointing towards a distinct seasonal effect. Our study on spatial heterogeneity of microbial communities in an aged contaminated site highlighted niche differentiation as the major mechanism regulating bacterial community structure. Geostatistical modelling and spatial prediction brought forward two distinct patterns in geochemical properties - patchy distribution of creosotes and a natural gradient of pH on the polluted site. While most bacterial taxa drastically reduced in abundance in the hotspots of pollution, Proteobacteria clearly dominated these zones. Acidobacteria, on the other hand, responded only to the pH variation irrespective of the differences in pollution levels. Analysing the behaviour of bacterial groups at lower taxonomic levels further clarified the patterns of niche differentiation created by combined effect of pH and contaminants. The spatial profiles of specific microbial taxa could be used as proxies or indicators for monitoring this polluted site. The results obtained in this thesis project are not only scientifically interesting but they also find an application in real-time ecological restoration. Both of our studies on bacterial secondary succession were carried out as a part of a phytoremediation project in collaboration with the Finnish Forest Research Institute. Phytoremediation with hybrid aspen is being implemented at the creosote-contaminated site in Luumäki, Finland (2013- ). Our results on the spatial heterogeneity of microbial diversity and activity played a great role in the pre-evaluation of this site for remediation. This knowledge on the spatial patterns of microbial diversity will be highly useful in the coming years for the monitoring and evaluation of phytoremediation in the creosote-polluted site.Öljyn käyttöön perustuva maailmantalous on johtanut lukuisten maa-alojen saastumiseen öljyllä. Öljyn eri yhdisteet vahingoittavat ekosysteemien biologisia sekä kemiallisia että fysikaalisia toimintoja vaikuttaen arvokkaiden ekosysteemipalvelujen toimintaan kuten esimerkiksi fotosynteesiin kasveissa ja mikrobeissa. Fotosynteesissä hiilidioksidista syntyy sokeria ja happea ja näin samalla hiilidioksidin, merkittävän kasvihuonekaasun, määrä vähenee. Puut ja kasvit vuorostaan tarjoavat mikrobeille juurten kautta sopivaa syötävää ja näin vilkastuttavat mikrobiyhteisöjä maaperässä. Mikrobit pystyvät hajottamaan haitallisia yhdisteitä. Tätä ainutlaatuista kykyä on käytetty hyväksi kymmeniä vuosia bioremediaation (maaperän biologinen puhdistus) ja myöhemmin ritsoremediaation (kasvien juuristomikrobien avulla tapahtuva maaperän puhdistus) muodossa. Saastuneessa maassa on suuri määrä erilaisia mikrobeja, joita bioremediaatiossa stimuloidaan/aktivoidaan hajottamaan saasteita paikan päällä. Hyväksi voidaan käyttää myös kasveja. Saastuneiden ekosysteemien mikrobiekologian perusteellinen tuntemus voi tarjota mahdollisuuden tehokkaampiin toimintatapoihin saastuneiden maiden kunnostuksessa. Viimeaikaiset edistysaskeleet molekyylimikrobiologiassa ovat mahdollistaneet mikrobiyhteisöjen rakenteiden, toiminnan sekä niiden keskinäisen vuorovaikutuksen tarkan tutkimuksen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin saastuneen maan mikrobiyhteisöjen muuttumista eri olosuhteissa ja mittakaavassa sekä erimittaisina ajanjaksoina. Mikrobiyhteisöjen lajiston muuttumista saastuneessa maassa ja hybridihaavan juuristossa tutkittiin kahdessa eri kokeessa. Lyhyessä kasvihuonekokeessa seurattiin juuristo- ja maaperäbakteeriyhteisöjen viikoittaista välitöntä reaktiota öljysaasteeseen. Yhteisöjä seurattiin myös suuremman mittakaavan kaksivuotisessa kenttäkokeessa, mikä myös mahdollisti vuodenaikaisen vaihtelun tutkimisen boreaalisessa kasvuvyöhykkeessä. Lopuksi tehtiin täyden mittakaavan koe kreosootilla saastuneessa kohteessa Kaakkois-Suomessa. Tarkoituksena oli tutkia mikrobilajiston monimuotoisuuden ja aktiviteetin paikallisia rakenteita suhteessa maaperän vaihteleviin kemiallisiin ominaisuuksiin. Mikrobiyhteisöjen dynamiikka ja monimuotoisuus selvitettiin käyttäen hyväksi eri merkkigeenien T-RFLP-sormenjälkianalyysia sekä 454-pyrosekvensointia. Eri merkkigeenien laaja-alainen sekvensointi mikrobiyhteisöjen määrittämistä varten mahdollisti eri bakteeriryhmien tunnistamisen kokeen eri vaiheissa. Lisäksi se tarjosi myös näkökohtia bakteeriyhteisöjen rakenteiden ja toiminnan välisiin suhteisiin. Molemmat aikasarjakokeet osoittivat mikrobiyhteisöjen rakenteen muuttuvan. Vaiheittainen siirtyminen vähemmän monimuotoisista yhteisöistä suuremman monimuotoisuuden mikrobiyhteisöihin todettiin sekä aromaattisia että alifaattisia yhdisteitä hajottavien bakteerien sekundäärisukkessiossa öljyisessä maassa. Runsaslukuiset spesiaalihajottajat korvautuivat ajan myötä monenlaisilla yleishajottajilla. Hybridihaavan juuriston vaikutus yleiseen bakteeriyhteisörakenteeseen (16S rRNA markkerigeenianalyysi) peittyi raskaan öljyn saastumisvaikutukseen, mutta tarkempi hajottajayhteisöjen tarkastelu (funktionaalinen markkerigeenianalyysi) toi esiin juuriston hallitsevia bakteeriryhmiä. Talvikuukausina todettiin tilastollisesti merkitsevä bakteeriyhteisöjen vaihtelu, joka viittaa erityiseen vuodenaikojen vaikutukseen. Mikrobiyhteisöjen paikallisen erilaisuuden tutkimus vanhassa kreosootilla saastuneessa maassa toi esiin lokeroerilaistumisen määräävänä bakteeriyhteisön säätelymekanismina. Mikrobien omat ekologiset lokerot, missä ne voivat menestyksellisesti kilpailla muiden mikrobien kanssa, määrittyivät saasteen ja sen määrän mukaan sekä esim. pH mukaan. Geotilastollinen ja paikallinen ennustettavuus toivat esiin kaksi selvää geokemiallista ominaisuutta kreosoottien laikuittaisen erilaistumisen sekä maaperän happamuuden asteittaisen, luontaisen vaihtelun saastuneessa kohteessa. Kun useimmat muut bakteerityypit olivat merkittävästi vähentyneet voimakkaasti saastuneissa laikuissa, proteobakteerit dominoivat näissä vyöhykkeissä. Asidobakteerit sitä vastoin reagoivat ainoastaan pH:n vaihteluihin riippumatta saastetasoista. Bakteeriryhmien käyttäytymisen analyysi alemmalla luokittelutasolla kuten lahko- ja perhetasolla selkiinnytti lokeroerilaistumisen rakenteita, jotka olivat seurausta pH:sta sekä saastemääristä. Määrättyjen mikrobityyppien paikallisia profiileita voidaan käyttää likimääräisinä indikaattoreina tämän saastuneen kohteen seurannassa. Tämän väitöskirjaprojektin tulokset eivät ole ainoastaan tieteellisesti kiinnostavia, vaan niille on jo löytynyt sovellus reaaliaikaisessa ekologisessa ennallistamisessa. Molemmat sekundaarisukkession tutkimukset olivat osa Metsäntutkimuslaitoksen (METLA) kanssa toteutettua ritsoremediaatioprojektia. Hybridihaavan ritsoremediaatio aloitettiin jo vuonna 2013 kreosootilla saastuneen entisen Somerharjun kyllästämön alueella Luumäellä. Viime vuonna kunnostusalueelle istutettiin tuhansia hybridihaavan taimia. Paikallisesta erilaisuudesta ja mikrobidiversiteetistä sekä aktiviteetista saadut tulokset olivat tärkeä osa kunnostuksen esitutkintaa. Mikrobidiversiteetin paikallisista rakenteista saatu tieto on erittäin hyödyllinen tulevina vuosina kunnostettavan alueen ritsoremediaation seurannassa.
Subject: general microbiology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
successi.pdf 1.415Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record