Tác động của các chất sinh học kích thích đến sự phân hủy 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) và thành phần quần thể vi khuẩn trong các mẫu trầm tích tầng nước ngầm bị ô nhiễm

Biodegradation - 2012
Nicole Fahrenfeld1, Jeffrey Zoeckler2, Mark A. Widdowson1, Amy Pruden1
1Via Department of Civil and Environmental Engineering, Blacksburg, USA
2US Army Corps of Engineers, Norfolk, USA

Tóm tắt

2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) là một hợp chất nổ độc hại và dai dẳng, xuất hiện như một chất ô nhiễm tại nhiều địa điểm trên toàn cầu. Kiến thức về động lực vi sinh vật điều khiển quá trình phân hủy TNT còn hạn chế, đặc biệt là trong các trầm tích tầng nước ngầm bản địa, nơi nó trở thành mối đe dọa đối với nguồn nước. Mục đích của nghiên cứu này là định lượng ảnh hưởng của các chất cải tạo hữu cơ đến tỷ lệ và con đường phân hủy TNT kỵ khí trong một nền văn hóa làm giàu thu được từ trầm tích tầng nước ngầm bị ô nhiễm trong lịch sử và so sánh động lực quần thể vi khuẩn. TNT đã dễ dàng phân hủy trong tất cả các vi sinh cảnh, với tỷ lệ phân hủy cao nhất đạt được dưới điều kiện có lactate, tiếp theo là điều kiện có ethanol và điều kiện có chất hữu cơ tự nhiên (được chiết xuất từ trầm tích tại hiện trường). Mặc dù con đường phân hủy giảm cho TNT đã được quan sát thấy trong tất cả các điều kiện, phân tích điện di gel gradient biến tính (DGGE) cho thấy các thành phần quần thể vi khuẩn rõ rệt. Trong tất cả các vi sinh cảnh, các dòng Gram-negative γ- hoặc β-Proteobacteria và Gram-positive Negativicutes hoặc Clostridia đã được quan sát. Một loài Pseudomonas cụ thể đã được phát hiện được kích thích trong tất cả các điều kiện. Theo phân tích thang đo đa chiều không metric của các hồ sơ DGGE, các cộng đồng vi sinh cảnh có sự tương đồng cao nhất với trầm tích từ hiện trường bị ô nhiễm nặng bởi TNT, so với trầm tích bị ô nhiễm vừa phải và không bị ô nhiễm, cho thấy rằng sự ô nhiễm TNT chính nó là yếu tố chính điều khiển cấu trúc cộng đồng vi sinh vật. Tổng thể, những kết quả này cung cấp một hướng chứng minh mới về các vi khuẩn chủ chốt điều khiển sự phân hủy TNT trong các trầm tích tầng nước ngầm và động lực của chúng phản ứng với việc bổ sung carbon hữu cơ, hỗ trợ cách tiếp cận này như một công nghệ hứa hẹn để kích thích khả năng sinh học tại chỗ phân hủy TNT dưới bề mặt.

Từ khóa

#TNT #phân hủy kỵ khí #quần thể vi khuẩn #tầng nước ngầm #ô nhiễm TNT #chạy bổ sung carbon hữu cơ

Tài liệu tham khảo

Adrian N, Arnett C (2007) Anaerobic biotransformation of explosives in aquifer slurries amended with ethanol and propylene glycol. Chemosphere 66(10):1849–1856

Adrian N, Arnett C, Hickey R (2003) Stimulating the anaerobic biodegradation of explosives by the addition of hydrogen or electron donors that produce hydrogen. Water Res 37(14):3499–3507

Alborg JG, Einisto P, Sorsa M (1988) Mutagenic activity and metabolites in the urine of workers exposed to trinitrotoluene (TNT). British J Industr Med 45:353–358

Berthe-Corti L, Jacobi H, Kleihauer S, Witte I (1998) Cytotoxicity and mutagenicity of a 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and hexogen contaminated soil in S. typhimurium and mammalian cells. Chemosphere 37(2):209–218

Brüggemann J, Stephen JR, Chang Y-J, Macnaughton SJ, Kowalchuk GA, Kline E, White DC (2000) Competitive PCR–DGGE analysis of bacterial mixtures: an internal standard and an appraisal of template enumeration accuracy. J Microbiol Methods 40(2):111–123. doi:10.1016/s0167-7012(99)00126-8

Caballero A, Esteve-Nunez A, Zyltra G, Ramos J (2005a) Assimilation of nitrogen from nitrite and trinitrotoluene in Pseudomonas putida JLR11. J Bacteriol 187(1):396–399

Caballero A, Lazaro J, Ramos J, Esteve-Nunez A (2005b) PnrA, a new nitroreductase-family enzyme in the TNT-degrading strain Pseudomonas putida JLR11. Environ Microbiol 7(8):1211–1219

Downey S, Ladaa T, Mullendore D (2005) In situ enhanced bioremediation to treat nitroaromatics in groundwater. Federal Facilities Environ J 16(1):85–96

Duque E, Haidour A, Godoy F, Ramos J (1993) Construction of a Pseudomonas hybrid strain that mineralizes 2,4,6-trinitrotoluene. J Bacteriol 175(8):2278–2283

Esteve-Nunez A, Caballero A, Ramos JL (2001) Biological degradation of 2,4,6-trinitrotoluene. Microbiol Mol Biol R 65(3):335–352. doi:10.1128/mmbr.65.3.335-352.2001

Fahrenfeld N (2012) Fate of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) in historically contaminated aquifer sediments. Ph D Dissertation, Virginia Tech etd-05152012-093243

Frische T, Höper H (2003) Soil microbial parameters and luminescent bacteria assays as indicators for in situ bioremediation of TNT-contaminated soils. Chemosphere 50(3):415–427. doi:10.1016/s0045-6535(02)00603-3

Fuller M, Manning J (1998) Evidence for differential effects of 2,4,6-trinitrotoluene and other munitions compounds on specific subpopulations of soil microbial communities. Environ Toxicol Chem 17(11):2185–2195. doi:10.1002/etc.5620171108

Fuller M, Manning J (2004) Microbiological changes during bioremediation of explosives-contaminated soils in laboratory and pilot-scale bioslurry reactors. Bioresource Technol 91(2):123–133

Fuller M, Hatzinger P, Rungmakol D, Schuster R, Steffan R (2004) Enhancing the attenuation of explosives in surface soils at military facilities: combined sorption and biodegradation. Environ Toxicol Chem 23(2):313–324

Fuller M, McClay K, Higham M, Hatzinger P, Steffan R (2010) Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine (RDX) bioremediation in groundwater: are known RDX-degrading bacteria the dominant players? Bioremed J 14(3):121–134

George I, Eyers L, Stenuit B, Agathos S (2008) Effect of 2,4,6-trinitrotoluene on soil bacterial communities. J Ind Microbiol Biotechnol 35(4):225–236. doi:10.1007/s10295-007-0289-2

George I, Liles M, Hartmann M, Ludwig W, Goodman R, Agathos S (2009) Changes in soil Acidobacteria communities after 2,4,6-trinitrotoluene contamination. FEMS Microbiol Lett 296(2):159–166. doi:10.1111/j.1574-6968.2009.01632.x

Gong P, Gasparrini P, Rho D, Hawari J, Thiboutot S, Ampleman G, Sunahara G (2000) An in situ respirometric technique to measure pollution-induced microbial community tolerance in soils contaminated with 2,4,6-trinitrotoluene. Ecotoxicol Environ Saf 47(1):96–103. doi:10.1006/eesa.2000.1934

Hawari J, Beaudet S, Halasz A, Thiboutot S, Ampleman G (2000) Microbial degradation of explosives: biotransformation versus mineralization. Appl Microbiol Biotechnol 54(5):605–618

Kim JR, Beecroft NJ, Varcoe JR, Dinsdale RM, Guwy AJ, Slade RCT, Thumser A, Avignone-Rossa C, Premier GC (2011) Spatiotemporal development of the bacterial community in a tubular longitudinal microbial fuel cell. Appl Microbiol Biotechnol 90(3):1179–1191. doi:10.1007/s00253-011-3181-y

Kimble JM, Knox EG, Holzhey CS (1993) Soil survey laboratory methods for characterizing physical and chemical properties and mineralogy of soils. In: Hoddinott KB, O’Shay TA (eds) Application of agricultural analysis in environmental studies, ASTM STP 1162. American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp 23–31

Kutty R, Bennett G (2005) Biochemical characterization of trinitrotoluene transforming oxygen-insensitive nitroreductases from Clostridium acetobutylicum; ATCC 824. Arch Microbiol 184(3):158–167. doi:10.1007/s00203-005-0036-x

Lenke H, Warrelmann J, Daun G, Hund K, Sieglen U, Walter U, Knackmuss H (1998) Biological treatment of TNT-contaminated soil. 2. Biologically induced immobilization of the contaminants and full-scale application. Environ Sci Technol 32(13):1964–1971

Li A, Marx K, Walker J, Kaplan D (1997) Trinitrotoluene and metabolites binding to humic acid. Environ Sci Technol 31(2):584–589

Ma Y, Wilson CA, Novak JT, Riffat R, Aynur S, Murthy S, Pruden A (2011) Effect of various sludge digestion conditions on sulfonamide, macrolide, and tetracycline resistance genes and class I integrons. Environ Sci Technol 45(18):7855–7861. doi:10.1021/es200827t

McCormick N, Feeherry F, Levinson H (1976) Microbial transformation of 2,4,6-trinitrotoluene and other nitroaromatic compounds. Appl Environ Microbiol 31(6):949–958

Meyers S, Deng S, Basta N, Clarkson W, Wilber G (2007) Long-term explosive contamination in soil: effects on soil microbial community and bioremediation. Soil Sed Contam 16(1):61–77. doi:10.1080/15320380601077859

Moe W, Stebbing R, Rao J, Bowman K, Nobre M, da Costa M, Rainey F (2011) Pelosinus defluvii sp. nov., isolated from chlorinated solvent contaminated groundwater, emended description of the genus Pelosinus, and transfer of Sporotalea propionica to Pelosinus propionicus comb. nov. Int J Syst Evol Microbiol 62:1369–1376. doi:10.1099/ijs.0.033753-0

Rectanus H, Widdowson M, Chapelle F, Kelly C, Novak J (2007) Investigation of reductive dechlorination supported by natural organic carbon. Ground Water Monit R 27(4):53–62

Regan K, Crawford R (1994) Characterization of Clostridium bifermentans and its biotransformation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and 1,3,5-triaza-1,3,5-trinitrocyclohexane (RDX). Biotechnol Lett 16(10):1081–1086

Saka M (2004) Developmental toxicity of p, p’-dichlorodiphenyl tricholorethane, 2,4,6-trinitrotoluene, ther metabolites and benzo(a)pyrene in Xenopus laevis embryos. Environ Toxicol Chem 23(4):1065–1073

Soil Survey Staff (2004) Soil survey field and laboratory methods manual. In: Burt R (ed) Soil survey investigations report No. 52, Version 4.0. U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, Washington, DC

Tharakan J, Gordon J (1999) Cometabolic biotransformation of trinitrotoluene (TNT) supported by aromatic and non-aromatic cosubstrates. Chemosphere 38(6):1323–1330

US EPA (2011) National priorities list. http://www.epa.gov/superfund/sites/npl/. Accessed 11 May 2011

Van Aken B, Godefroid L, Peres C, Naveau H, Agathos S (1999) Mineralization of 14C-U-ring labeled 4-hydroxylamino-2,6-dinitrotoluene by manganese-dependent peroxidase of the white-rot basidiomycete Phlebia radiata. J Biotechnol 68(2–3):159–169

Watanabe K, Kodama Y, Harayama S (2001) Design and evaluation of PCR primers to amplify bacterial 16S ribosomal DNA fragments used for community fingerprinting. J Microbiol Methods 44(3):253–262. doi:10.1016/s0167-7012(01)00220-2

Watrous M, Clark S, Kutty R, Huang S, Rudolph F, Hughes J, Bennett G (2003) 2,4,6-Trinitrotoluene reduction by an Fe-only hydrogenase in Clostridium acetobutylicum. Appl Environ Microbiol 69(3):1542–1547. doi:10.1128/aem.69.3.1542-1547.2003

Weisburg W, Barns S, Pelletier D, Lane D (1991) 16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study. J Bacteriol 173(2):697–703

Wikström P, Andersson A, Nygren Y, Sjöström J, Forsman M (2000) Influence of TNT transformation on microbial community structure in four different lake microcosms. J Appl Microbiol 89(2):302–308. doi:10.1046/j.1365-2672.2000.01111.x

Wilke B, Gattinger A, Fröhlich E, Zelles L, Gong P (2004) Phospholipid fatty acid composition of a 2,4,6-trinitrotoluene contaminated soil and an uncontaminated soil as affected by a humification remediation process. Soil Biol Biochem 36(4):725–729. doi:10.1016/j.soilbio.2003.12.003

Zhang T, Fang HHP (2000) Digitization of DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) profile and cluster analysis of microbial communities. Biotechnol Lett 22(5):399–405. doi:10.1023/a:1005680803442

Thông tin
Thông tin xuất bản

Biodegradation

Thông tin tác giả