Bioremediation of soils by using the metal-tolerant and pahs degrading bacteria isolated from the long-term chemically contaminated soil: Metagenomics assay and experimental modelling

Abstract

Soil is a basic yet essential component of the ecosystem. The contamination with organic and inorganic pollutants changes significantly soil microbial community structure. These shifts indicate anthropogenic pressure and help to discover new possibilities for soil remediation. Current research addresses the study of the bioremediation potential of microbial strains isolated from Spolic Technosols soil collected from lake Atamanskoye. Two specific bacterial strains i.e., Pseudomonas putida and Rhodococcus erythopolis were selected as PAH degrader and metal tolerant. Experiment model was designed with 5 treatments consisting of control variant (Chernozem soil), polluted soil variant (Spolic technosols), Bacterial strains variant, Biochar variant (sunflower husk) and combined bacterial and biochar variant. The experiment was based Hordeum vulgare and conducted for one month under laboratory conditions. Various parameters were measured in order to assess treatments 'effect on soil microbiome. Prominent results were found in combined application of bacteria and biochar such as roots and shoot length were significantly increased. Total PAHs and BaP was reduced 5-6 times in soil while same trend was observed in plant parts. In the same way, total heavy metal content and especially Cu was reduced in combined variant. Heterotrophic microbial number were twice more in bacterial variant as compared to combined variant. Soil enzymatic activity was 50% less in combined variant as compared to control while 25% less in bacterial and biochar variant. 16s rRNA metagenomic studies revealed the fungal communities mainly Ascomycota , Chytridiomycota and Basidiomycota showed high percentage in combined variants. A high correlation was found between OTU in the samples by taxa and soil properties only among the phyla Ascomycota , Mortierellomycota , and Monoblepharomycota. It can be concluded combined application of bacteria and biochar do has effect in mitigating PAHs and heavy metal. Further metagenomics study of soil microbiome is recommended to see proper results.

Toprak, ekosistemin temel ve gerekli bir bileşenidir. Organik ve inorganik kirleticilerle kirlenme, toprak mikrobiyal topluluk yapısını önemli ölçüde değiştirmektedir. Bu değişimler antropojenik baskıya işaret etmekte toprak ıslahı için yeni olasılıkların keşfedilmesine yardımcı olmaktadır. Bu araştırma, Atamanskoye Gölü'nden toplanan Spolic Technosol toprağından izole edilen mikrobiyal izolatların biyoremediasyon potansiyeli üzerinedir. Pseudomonas putida ve Rhodococcus erythopolis olarak adlandırılan spesifik iki bakteri izolatı, PAH indirgeyici ve metal toleranslı olarak seçilmiştir. Deneme modeli, kontrol uygulaması (Chernozem toprağı), kirli toprak uygulaması (Spolic technosols), Bakteriyel izolat uygulaması, Biochar uygulaması (ayçiçeği kabuğu) ve kombine bakteriyel izolat ve biochar uygualamasıbı içerecek şekilde 5 konuyu kapsamaktadır. Deneme, Arpa bitkisi (Hordeum vulgare) yetiştirilerek laboratuvar koşullarında bir ay süreyle yürütülmüştür. Uygulamaların toprak mikrobiyomu üzerindeki etkisini değerlendirmek için çeşitli parametreler kullanılmıştır. Bakteri ve biyokömürün birlikte uygulanmasında kökler ve sürgün uzunluğu önemli ölçüde artması gibi daha belirgin sonuçlar bulunmuştur. Toplam PAH'lar ve BaP, toprakta 5-6 kat azalırken, bitki kısımlarında da aynı eğilim gözlenmiştir. Aynı şekilde kombine uygulamalarda toplam ağır metal içeriği ve özellikle Cu miktarı azaltılmıştır. Bakteriyel uygulamada heterotrofik mikrobiyal sayı, kombine uygulamalarla karşılaştırıldığında iki kat daha fazla iken, kontrole göre kombine uygulamalarda toprak enzimatik aktivitesi %50 daha az iken, bakteriyel ve biochar uygulamalarında %25 daha az olduğu belirlenmiştir. 16s rRNA metagenomik çalışmaları, mantar topluluklarının başta Ascomycota, Chytridiomycota ve Basidiomycota olmak üzere kombine uygulamalarında daha yüksek olduğu, sadece Ascomycota , Mortierellomycota ve Monoblepharomycota filumları arasında taksonlara göre örneklerdeki OTU ile toprak özellikleri arasında yüksek bir korelasyon belirlenmiştir. Bakteri ve biyokömürün birlikte uygulanmasının PAH'ları ve ağır metalleri azaltmada etkili olduğu sonucuna varılabilir. Daha detaylı sonuçları elde etmek için toprak mikrobiyomunun daha fazla metagenomik çalışma yapılması önerilmektedir.