Microbial diversity of a fluidized-bed bioreactor treating diesel-contaminated groundwater (Vega Baja, Puerto Rico)

Abstract

Culture and culture-independent techniques were used to characterize the microbial community structure within a fluidized bed reactor (FBR) used to remediate a dieselcontaminated aquifer. Under normal operating conditions, greater than 98% of total hydrocarbons were constantly removed. Over 25 different cultures were isolated, 92% utilized diesel constituents as carbon source and 20% were denitrifiers. Analysis of 16S rDNA demonstrated ample diversity with most cultures related to the Proteobacteria group. In order to better understand the dominant community structure, 16S rDNA clone libraries, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP), and Functional Gene Microarrays (FGA) were analyzed from total community DNA samples. Clone libraries revealed at 61-days that the community was composed of 75% ßproteobacteria, 17% γ-proteobacteria and 8% α-proteobacteria while at 212-days was dominated by 77% γ-proteobacteria and 23% of ß-proteobacteria members. T-RFLP and FGA analysis revealed a core community structure with successional changes leading toward higher levels of richness and diversity as indicated by Shannon, Jaccard, and Schao statistical indexes. A total of 270 genes for organic contaminant degradation (including naphthalene, toluene [aerobic and anaerobic], octane, biphenyl, pyrene, xylene, phenanthrene, and benzene); and 333 genes involved in metabolic activities (nitrite and nitrous oxide reductases [nirS, nirK, and nosZ], dissimilatory sulfite reductases [dsrAB], potential metal reducing C-type cytochromes, and methane monooxygenase [pmoA]) were constantly detected. Genes for the degradation of MTBE, explosives, and chlorinated compounds were also present, indicating the broad catabolic potential of the microbial community present in the FBR unit.

Técnicas dependientes e independientes de cultivo fueron utilizadas para caracterizar la estructura de la comunidad microbiana en un reactor de lecho fluidizado (FBR, por sus siglas en inglés) empleado en la restauración de un acuífero contaminado con diesel. Bajo condiciones normales, más del 98% de los hidrocarburos totales fueron removidos de manera sostenible. De las 25 poblaciones de bacterias aisladas, el 92% utilizaron componentes de diesel como fuente de carbono mientras el 20% resultaron ser denitrificadores. El análisis del 16S rDNA demostró una amplia diversidad con la mayoría de las poblaciones relacionadas al grupo Proteobacteria. Para entender mejor la estructura de la comunidad dominante, muestras de DNA total de la comunidad fueron analizadas mediante genotecas de 16S rDNA, patrones de restricción derivados del fragmemto 16S rDNA terminal (T-RFLP, por sus siglas en inglés), y microarreglos construídos para detectar genes funcionales (FGA, por sus siglas en inglés). Las genotecas de 16S rDNA revelaron que la composición de la comunidad 61-días fue de 75% ß-proteobacteria, 17% γ-proteobacteria y el 8% α-proteobacteria, mientras que a los 212-días la comunidad estuvo dominada por 77% γ-proteobacteria y el 23% de los miembros ß-proteobacteria. El análisis de T-RFLP y FGA revelaron una estructura pilar en la comunidad con cambios graduales que conducían hacia niveles más altos de riqueza y diversidad según lo indicado por los índices estadísticos de Shannon, Jaccard, y Schao. Un total de 270 genes para la degradación orgánica del contaminante (incluyendo naftalina, tolueno [aerobio y anaerobio], octano, bifenil, pireno, xileno, fenantreno, y benceno); y 333 genes implicados en actividades metabólicas de respiración celular (reductasas de nitrito y de óxido nitroso [nirS, nirK, y nosZ], reductasas disimilatorias de azufre [dsrAB], potencial reductor de citocromos del tipo-C, y monooxigenasas de metano [pmoA]) fueron detectados constantemente. Los genes para la degradación de explosivos, MTBE y compuestos clorinados estaban igualmente presentes, indicando el amplio potencial catabólico de la comunidad microbiana presente en la unidad del FBR.