Optimizing the efficiency of endophytic bacteria-enhanced phytoremediation of DDE-contaminated soils with Cu-NPs

Katrien Witters
Persbericht

Bodemvervuiling te lijf met courgetteplanten

DDT: From hero to zero

“How could intelligent beings seek to control a few unwanted species by a method that contaminated the entire environment and brought the threat of disease and death even to their own kind?”

Rachel Carson, Silent Spring

DDT is wereldwijd een van de meest gekende (lees: beruchte) pesticiden. Het werd ontwikkeld in 1939 en jarenlang gebruikt en aangeprezen om dodelijke ziekten zoals malaria en tyfus te bestrijden, om gewassen en planten te beschermen en waterlopen van muggen te vrijwaren. Het gebruik van DDT in de landbouw was een absoluut succesverhaal en algauw werd het ook aangewend in volksgezondheidsprogramma’s. In de jaren vijftig daalde de populariteit van DDT snel nadat wetenschappers berichten de wereld instuurden over de nefaste gevolgen van DDT voor de gezondheid van mens en dier. Zo kan DDT hormoonverstorend werken en het afweersysteem beïnvloeden. In 1962 publiceerde Rachel Carson ‘Silent Spring’, waarin ze negatieve gevolgen aanhaalt van het overmatig gebruik van pesticides. DDT werd naar voor geschoven als hét schoolvoorbeeld. Het gebruik van DDT in de landbouw werd uiteindelijk verboden in de jaren zeventig, maar het gebruik ervan als bestrijding van ziekteoverdracht wordt nog steeds toegelaten, voornamelijk in derdewereldlanden, als goedkoop alternatief voor de bescherming tegen malaria.

Courgette: from zero to hero

The greatest service which can be rendered any country is to add a useful plant to its culture.

Thomas Jefferson

Wanneer DDT in de bodem terechtkomt, kan het worden omgezet naar DDE, een al even schadelijk afbraakproduct. Zowel DDT als DDE worden geclassificeerd als persistente organische polluenten (POPs), verontreinigende stoffen die persistent zijn in het milieu. Ondanks het feit dat het gebruik van DDT in de landbouw sinds de jaren zeventig verboden is, hebben DDT en DDE zich door veelvuldig gebruik in het verleden opgestapeld in het milieu waardoor we ze nog steeds wereldwijd terugvinden in voeding en in het drinkwater.

Verschillende technieken kunnen aangewend worden om deze bodems van DDT en DDE te ontdoen. Zo kan men de grond volledig afgraven of chemisch reinigingen. Beide opties zijn echter kostelijk, belastend voor het bodemleven en vaak geen optie op landbouwgrond. Daarom wordt fytoremediatie, een technologie waarbij specifieke planten gebruikt worden om schadelijke stoffen uit bodems of water te verwijderen, af te breken of vast te leggen steeds vaker als alternatief naar voren geschoven. Wanneer planten voedingsstoffen opnemen uit de bodem, nemen ze onbedoeld ook schadelijke stoffen mee op, waardoor die laatste hun concentratie in de bodem daalt. Fytoremediatie is onder andere al succesvol gebleken voor het saneren van bodems verontreinigd met TCE, een ontvetter bij droogkuis. Of denk maar aan de populieren die een met minerale oliën en metalen vervuilde plek op de Ford Genk site proper kregen. Deze site had een omvang die ingeburgerde technieken praktisch onmogelijk maakte en vertoonde concentraties die andere technieken inefficiënt maakte.

Gegeven deze positieve resultaten is er recent onderzoek gestart naar de mogelijkheden van fytoremediatie voor de sanering van DDE-verontreinigende bodems. Verschillende plantensoorten werden onderzocht. Hieruit bleek al dat de courgetteplant in staat is om hoge concentraties DDE uit de bodem op te nemen. Bijkomend onderzoek toonde aan dat de efficiëntie waarmee een courgetteplant DDE uit de bodem opneemt, verbeterd kan worden door optimaal gebruik te maken van bacteriën aanwezig in de courgetteplant.

1 + 1 = 3

“If you don't like bacteria, you're on the wrong planet.”

Stewart Brand

Vaak is de plant niet de ‘exclusieve hoofdrolspeler’ in het fytoremediatie-proces. Een erg belangrijke rol is weggelegd voor plantgeassocieerde bacteriën, van nature aanwezig in de plant. Planten en bacteriën hebben een symbiotische relatie, ze zijn erg goed op elkaar ingespeeld. Planten voorzien zowel een habitat als voedingsstoffen voor de bacteriën. De bacteriën van hun kant produceren stoffen die de afbraak van schadelijke stoffen opgenomen door de plant verbeteren. Daarenboven zijn ze in staat om verschillende stoffen te produceren die de groei van de plant op vervuilde bodems stimuleren. Wij hebben binnen de onderzoeksgroep Milieubiologie van de Universiteit Hasselt drie belangrijke bacteriële soorten in de courgetteplant kunnen isoleren en identificeren. Deze bacteriën vertonen kenmerken die noodzakelijk zijn om de opname en afbraak van DDE door de courgetteplant te verbeteren, met name door (1) hun productie van groei-stimulerende stoffen en, nog belangrijker, (2) hun vermogen om DDE af te breken.

Naast het gebruik van specifieke bacteriën om fytoremediatie van DDE te verbeteren, kunnen koper nanopartikels (Cu-NPs) worden toegevoegd aan de plant. Cu-NPs zijn koperpartikels met een dimensie kleiner dan 5nm die vaak worden toegevoegd aan pesticiden om de opname ervan te verhogen. Het is dus een logische denkwijze dat Cu-NPs, net zoals bacteriën, het fytoremediatie-proces kunnen verbeteren. Dit kan ertoe leiden dat de bodemkwaliteit sneller verbetert waardoor landbouwgrond sneller terug gebruikt kan worden voor voedingsgewassen. De vraag die ik onderzocht in mijn masterthesis is of we de efficiëntie van fytoremediatie van DDE door de courgetteplant nog bijkomend kunnen verbeteren wanneer we Cu-NPs en specifieke bacteriën combineren. Zaden van de courgetteplant werden daarom geplant in aan- en afwezigheid van DDT en Cu-NPs.

De resultaten van de uitgevoerde studie zijn veelbelovend. Cu-NPs hebben geen negatief effect op de plantengroei of op de bacteriën in de plant. Daarnaast werd aangetoond dat het toevoegen van Cu-NPs aan de bodem ervoor zorgt dat de plant meer DDT opneemt. Enkele bacteriën, geïsoleerd uit planten opgegroeid in de aanwezigheid van DDT en Cu-NPs, vertoonden plantengroei stimulerende eigenschappen én het vermogen om DDE af te breken. Deze bacteriën werden geïdentificeerd als Stenotrophomonas en Enterobacter. Uit verder onderzoek bleek dat het mogelijk is om met deze bacteriën de efficiëntie van fytoremediatie van DDE met de courgetteplant nog verder te verhogen.

DDE-ophoping in de bodem is een wereldwijd probleem met een impact op de gezondheid van mens en dier. Fytoremediatie biedt een veelbelovend alternatief voor de dure en invasieve methodes die tot nu toe gebruikt werden. Resultaten van ons onderzoek kunnen als een belangrijke ontwikkeling gezien worden in de verbetering van fytoremediatie van DDE, een wereldwijd toepasbare technologie.

 

Bibliografie

1.      Thomas J, Ou L-T, Al-Agely A. DDE Remediation and Degradation. In: Whitacre D, editor. Reviews of environmental contamination and toxicology. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. 194: Springer New York; 2008. p. 55-69.

2.      Toxicological profile for DDT, DDE, DDD. [Internet]. 2002. Available from: http://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp.asp?id=81&tid=20#bookmark16.

3.      Porta M, Zumeta E. Implementing the Stockholm Treaty on Persistent Organic Pollutants. Occupational and Environmental Medicine. 2002;59(10):651-2.

4.      Aislabie JM, Richards NK, Boul HL. Microbial degradation of DDT and its residues—A review. New Zealand Journal of Agricultural Research. 1997;40(2):269-82.

5.      White JC. Inheritance of p,p'-DDE phytoextraction ability in hybridized Cucurbita pepo cultivars. Environmental science & technology. 2010;44(13):5165-9.

6.      Ali H, Khan E, Sajad MA. Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications. Chemosphere. 2013;91(7):869-81.

7.      Patisaul HB, Adewale HB. Long-Term Effects of Environmental Endocrine Disruptors on Reproductive Physiology and Behavior. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 2009;3:10.

8.      Artés F, Gómez P, Aguayo E, Escalona V, Artés-Hernández F. Sustainable sanitation techniques for keeping quality and safety of fresh-cut plant commodities. Postharvest Biology and Technology. 2009;51(3):287-96.

9.      Vangronsveld J, Herzig R, Weyens N, Boulet J, Adriaensen K, Ruttens A, et al. Phytoremediation of contaminated soils and groundwater: lessons from the field. Environmental science and pollution research international. 2009;16(7):765-94.

10.    Weyens N, van der Lelie D, Artois T, Smeets K, Taghavi S, Newman L, et al. Bioaugmentation with Engineered Endophytic Bacteria Improves Contaminant Fate in Phytoremediation. Environmental science & technology. 2009;43(24):9413-8.

11.    Gordon M, Choe N, Duffy J, Ekuan G, Heilman P, Muiznieks I, et al. Phytoremediation of trichloroethylene with hybrid poplars. Environmental Health Perspectives. 1998;106(Suppl 4):1001-4.

12.    White JC, Parrish ZD, Isleyen M, Gent MPN, Iannucci-Berger W, Eitzer BD, et al. Uptake of weathered p,p′-DDE by plant species effective at accumulating soil elements. Microchemical Journal. 2005;81(1):148-55.

13.    Peng S, Zhou Q, Cai Z, Zhang Z. Phytoremediation of petroleum contaminated soils by Mirabilis Jalapa L. in a greenhouse plot experiment. Journal of Hazardous Materials. 2009;168(2–3):1490-6.

14.    Afzal M, Khan QM, Sessitsch A. Endophytic bacteria: Prospects and applications for the phytoremediation of organic pollutants. Chemosphere. 2014;117:232-42.

15.    Weyens N, van der Lelie D, Taghavi S, Newman L, Vangronsveld J. Exploiting plant-microbe partnerships to improve biomass production and remediation. Trends in biotechnology. 2009;27(10):591-8.

16.    Mastretta C, Barac T, Vangronsveld J, Newman L, Taghavi S, Lelie Dvd. Endophytic Bacteria and their Potential Application to Improve the Phytoremediation of Contaminated Environments. Biotechnology and Genetic Engineering Reviews. 2006;23(1):175-88.

17.    Baetz U, Martinoia E. Root exudates: the hidden part of plant defense. Trends in Plant Science. 2014;19(2):90-8.

18.    Weyens N, van der Lelie D, Taghavi S, Vangronsveld J. Phytoremediation: plant-endophyte partnerships take the challenge. Current opinion in biotechnology. 2009;20(2):248-54.

19.    Newman LA, Reynolds CM. Bacteria and phytoremediation: new uses for endophytic bacteria in plants. Trends in biotechnology. 2005;23(1):6-8; discussion -9.

20.    Eevers N, Van Hamme JD, Bottos EM, Weyens N, Vangronsveld J. Draft Genome Sequence of Methylobacterium radiotolerans, a DDE-Degrading and Plant Growth-Promoting Strain Isolated from Cucurbita pepo. Genome announcements. 2015;3(3).

21.    Eevers N, Van Hamme JD, Bottos EM, Weyens N, Vangronsveld J. Draft Genome Sequence of Enterobacter aerogenes, a DDE-Degrading and Plant Growth-Promoting Strain Isolated from Cucurbita pepo. Genome announcements. 2015;3(2).

22.    Eevers N, Van Hamme JD, Bottos EM, Weyens N, Vangronsveld J. Sphingomonas taxi, Isolated from Cucurbita pepo, Proves to Be a DDE-Degrading and Plant Growth-Promoting Strain. Genome announcements. 2015;3(3).

23.    Quensen JF, 3rd, Mueller SA, Jain MK, Tiedje JM. Reductive dechlorination of DDE to DDMU in marine sediment microcosms. Science. 1998;280(5364):722-4.

24.    Hay AG, Focht DD. Cometabolism of 1,1-dichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethylene by Pseudomonas acidovorans M3GY grown on biphenyl. Applied and Environmental Microbiology. 1998;64(6):2141-6.

25.    Aislabie J, Davison AD, Boul HL, Franzmann PD, Jardine DR, Karuso P. Isolation of Terrabacter sp. Strain DDE-1, Which Metabolizes 1,1-Dichloro-2,2-Bis(4-Chlorophenyl)Ethylene when Induced with Biphenyl. Applied and Environmental Microbiology. 1999;65(12):5607-11.

26.    Glick BR. The enhancement of plant growth by free-living bacteria. Canadian Journal of Microbiology. 1995;41(2):109-17.

27.    Ahemad M, Kibret M. Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria: Current perspective. Journal of King Saud University - Science. 2014;26(1):1-20.

28.    Schachtman DP, Reid RJ, Ayling SM. Phosphorus Uptake by Plants: From Soil to Cell. Plant physiology. 1998;116(2):447-53.

29.    Vyas P, Gulati A. Organic acid production in vitro and plant growth promotion in maize under controlled environment by phosphate-solubilizing fluorescent Pseudomonas. BMC microbiology. 2009;9:174.

30.    Radzki W, Gutierrez Mañero FJ, Algar E, Lucas García JA, García-Villaraco A, Ramos Solano B. Bacterial siderophores efficiently provide iron to iron-starved tomato plants in hydroponics culture. Antonie Van Leeuwenhoek. 2013;104(3):321-30.

31.    Patten CL, Glick BR. Role of Pseudomonas putida Indoleacetic Acid in Development of the Host Plant Root System. Applied and Environmental Microbiology. 2002;68(8):3795-801.

32.    Gutierrez CK, Matsui GY, Lincoln DE, Lovell CR. Production of the Phytohormone Indole-3-Acetic Acid by Estuarine Species of the Genus Vibrio. Applied and Environmental Microbiology. 2009;75(8):2253-8.

33.    Glick BR. Bacteria with ACC deaminase can promote plant growth and help to feed the world. Microbiological research. 2014;169(1):30-9.

34.    Glick BR. Using soil bacteria to facilitate phytoremediation. Biotechnology advances. 2010;28(3):367-74.

35.    Andreote FD, Gumiere T, Durrer A. Exploring interactions of plant microbiomes. Scientia Agricola. 2014;71:528-39.

36.    Handy RD, von der Kammer F, Lead JR, Hassellov M, Owen R, Crane M. The ecotoxicology and chemistry of manufactured nanoparticles. Ecotoxicology (London, England). 2008;17(4):287-314.

37.    Stampoulis D, Sinha SK, White JC. Assay-dependent phytotoxicity of nanoparticles to plants. Environmental science & technology. 2009;43(24):9473-9.

38.    Siddiqui MH, Al-Whaibi MH, Firoz M, Al-Khaishany MY. Role of Nanoparticles in Plants. In: Siddiqui HM, Al-Whaibi HM, Mohammad F, editors. Nanotechnology and Plant Sciences: Nanoparticles and Their Impact on Plants. Cham: Springer International Publishing; 2015. p. 19-35.

39.    Christian P, Von der Kammer F, Baalousha M, Hofmann T. Nanoparticles: structure, properties, preparation and behaviour in environmental media. Ecotoxicology (London, England). 2008;17(5):326-43.

40.    Musante C, White JC. Toxicity of silver and copper to Cucurbita pepo: Differential effects of nano and bulk-size particles. Environmental toxicology. 2012;27(9):510-7.

41.    Kanhed P, Birla S, Gaikwad S, Gade A, Seabra AB, Rubilar O, et al. In vitro antifungal efficacy of copper nanoparticles against selected crop pathogenic fungi. Materials Letters. 2014;115:13-7.

42.    University MT. Copper nanoparticles could protect food from bacteria 2013, July 24 [Retrieved March 25, 2016]. Available from: www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130724101546.htm.

43.    Musante C, White JC. Toxicity of silver and copper to Cucurbita pepo: differential effects of nano and bulk-size particles. Environmental toxicology. 2012;27(9):510-7.

44.    White JC. Inheritance of p,p′-DDE Phytoextraction Ability in Hybridized Cucurbita pepo Cultivars. Environmental science & technology. 2010;44(13):5165-9.

45.    Hawthorne J, De la Torre Roche R, Xing B, Newman LA, Ma X, Majumdar S, et al. Particle-Size Dependent Accumulation and Trophic Transfer of Cerium Oxide through a Terrestrial Food Chain. Environmental science & technology. 2014;48(22):13102-9.

46.    Mergeay M, Nies D, Schlegel HG, Gerits J, Charles P, Van Gijsegem F. Alcaligenes eutrophus CH34 is a facultative chemolithotroph with plasmid-bound resistance to heavy metals. Journal of bacteriology. 1985;162(1):328-34.

47.    Schloss PD, Westcott SL, Ryabin T, Hall JR, Hartmann M, Hollister EB, et al. Introducing mothur: Open-Source, Platform-Independent, Community-Supported Software for Describing and Comparing Microbial Communities. Applied and Environmental Microbiology. 2009;75(23):7537-41.

48.    Quast C, Pruesse E, Yilmaz P, Gerken J, Schweer T, Yarza P, et al. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic acids research. 2013;41(Database issue):D590-6.

49.    Singh B, Satyanarayana T. Microbial phytases in phosphorus acquisition and plant growth promotion. Physiology and molecular biology of plants : an international journal of functional plant biology. 2011;17(2):93-103.

50.    Belimov AA, Hontzeas N, Safronova VI, Demchinskaya SV, Piluzza G, Bullitta S, et al. Cadmium-tolerant plant growth-promoting bacteria associated with the roots of Indian mustard (Brassica juncea L. Czern.). Soil Biology and Biochemistry. 2005;37(2):241-50.

51.    Cunningham JE, Kuiack C. Production of citric and oxalic acids and solubilization of calcium phosphate by Penicillium bilaii. Applied and Environmental Microbiology. 1992;58(5):1451-8.

52.    Schwyn B, Neilands JB. Universal chemical assay for the detection and determination of siderophores. Analytical biochemistry. 1987;160(1):47-56.

53.    Moore FP, Barac T, Borremans B, Oeyen L, Vangronsveld J, van der Lelie D, et al. Endophytic bacterial diversity in poplar trees growing on a BTEX-contaminated site: The characterisation of isolates with potential to enhance phytoremediation. Systematic and Applied Microbiology. 2006;29(7):539-56.

54.    Gutierrez-Gines MJ, Hernandez AJ, Perez-Leblic MI, Pastor J, Vangronsveld J. Phytoremediation of soils co-contaminated by organic compounds and heavy metals: bioassays with Lupinus luteus L. and associated endophytic bacteria. Journal of environmental management. 2014;143:197-207.

55.    Hallmann J, Quadt-Hallmann A, Mahaffee WF, Kloepper JW. Bacterial endophytes in agricultural crops. Canadian Journal of Microbiology. 1997;43(10):895-914.

56.    Eevers N, Hawthorne JR, White JC, Vangronsveld J, Weyens N. Exposure of Cucurbita pepo to DDE-contamination alters the endophytic community: A cultivation dependent vs a cultivation independent approach. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987). 2016;209:147-54.

57.    Eevers N, Beckers B, Op de Beeck M, White JC, Vangronsveld J, Weyens N. Comparison between cultivated and total bacterial communities associated with Cucurbita pepo using cultivation-dependent techniques and 454 pyrosequencing. Syst Appl Microbiol. 2016;39(1):58-66.

Universiteit of Hogeschool
Master in de Klinische Moleculaire Wetenschappen
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
dr. ir. Nele Weyens
Kernwoorden
Share this on: