Monitoring tools for microbial in situ activity in natural and engineered environmental systems

Abstract

Die industriellen Aktivitäten des letzten Jahrhunderts führten zu omnipräsenten Kontaminationen des Untergrundes. Die biologische Sanierung einschließlich mikrobieller Abbauprozesse stellt eine kostengünstige Alternative zur Verringerung der Kontaminationen dar, deren Anwendung einer schlüssigen Bewertung der biologischen Abbauleistung bedarf. Das Ziel dieser Arbeit war, die in situ-Aktivität von schadstoffabbauenden Mikroorganismen in konstruierten Umweltsystemen zu bestimmen, mittels verbesserter Methoden zur in situ-Identifizierung, beruhend auf Isotopen-Markierungen. In der ersten Studie wurde benzolabbauende mikrobielle Gemeinschaft in einer Pflanzenkläranlage charakterisiert. Die Kombination von BACTRAP-Technologie und RNA-SIP (Stable Isotope Probing) mit tiefgehender phylogenetischer Analyse identifizierte zwei Schlüsselorganismen. Die zweite Studie bewertete den SIP/BACTRAP-Ansatz hinsichtlich seiner Anwendbarkeit bei der Charakterisierung der mikrobiellen Bisphenol A Transformation. Die Ergebnisse des Feldversuchs deuteten an, dass die Technologie hier ungeeignet ist. In der dritten Studie wurde ein neuer Ansatz zur in situ-Identifizierung relevanter und aktiver Abbauer in kontaminierten Systemen ohne vorherige phylogenetische Information entwickelt - ‘MicroAutoRadiography of Encapsulated Cells’. Experimente zur prinzipiellen Machbarkeit zeigten das Potential des Ansatzes.

Extensive industrial activities since the last century have led to serious contamination of the subsurface with hazardous substances. Bioremediation is a cost-effective strategy for the reduction of the contamination and sound site-specific in situ assessment will promote this. The main objective of this work was to specify microbial in situ activity in engineered bioremediation systems via improved labelling strategies for in situ identification of active degraders. A first study aimed at characterisation of the benzene-degrading microbial community in the rhizosphere of a pilot-scale constructed wetland. A combination of BACTRAPs and RNA-SIP (Stable Isotope Probing) with phylogenetic analysis of 16S rRNA identified two genera playing a key role. A second study evaluated the SIP/BACTRAP approach for its applicability for on-site characterisation of microbial bisphenol A transformation. First tests did not recommend tracking BPA transformation via BACTRAPs at field sites. A third study developed a new approach for sensitive in situ identification of active key players without prior phylogenetic information - ‘MicroAutoRadiography of Encapsulated Cells’. A proof-of-principle experiment demonstrated the potential of the new approach.