Abstrakt

Biotechnologie 2013: Hydro-Bio-Geo-Chemie – George Ivey – Ivey International Inc.

 George Ivey

 Zusammenfassung: Grundsätze zur Kontamination von Boden, Sediment und Grundwasser, die nicht an Hochschulen oder Universitäten gelehrt werden. Dies wird durch einen visuell gesteuerten und interaktiven Präsentationsansatz erreicht, bei dem das Publikum erfährt, dass Wasser nicht H2O ist, was die Löslichkeit von Schadstoffen wirklich beeinflusst, welche wichtige Rolle die Aufnahme von Schadstoffen in Boden, Sedimenten und Grundwasser spielt und wie dies alle Formen der Sanierung, einschließlich der Biosanierung, beeinflusst. Teilnehmer mit begrenzter Erfahrung in Chemie, Biochemie oder Mikrobiologie erlernen einen neuen, einfach anzuwendenden Satz von Grundsätzen, um das Verhalten und die Löslichkeit der meisten Schadstoffe in Boden, Sedimenten und Grundwasser genau vorherzusagen, wie man die Eigenschaften von Wasser verändert und wie man die Löslichkeit von Schadstoffen verbessert, um seine physikalische, chemische und biologische Verfügbarkeit für In-situ- und Ex-situ-Sanierung zu erhöhen. Einleitung Hydrothermale Aktivität kann eine Vielzahl reduzierter Verbindungen erzeugen, einschließlich niedermolekularer Kohlenwasserstoffe, die abiotisch durch Wasser-Gestein-Wechselwirkungen bei hoher Temperatur und hohem Druck entstehen können. Kürzlich wurde entdeckt, dass Fe2+ in hydrothermalen Systemen durch Wasser oxidiert wird, das Sauerstoff bildet, wodurch Magnetit (Fe3O4) entsteht, während das Wasser zu H2 reduziert wird. Letztlich führt die H2-abhängige Reduktion von CO2 zur Bildung von Kohlenwasserstoffen (C2–C11), Methan und Aromaten unter Verwendung von Fe3O4 als Katalysator. Alkane mit langen Kohlenstoffketten und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) können auch im tiefen Untergrund durch thermogene Prozesse entstehen. So wurden beispielsweise in den Quellenfluiden und Sulfidablagerungen des Rainbow-Quellenfelds am nördlichen Mittelatlantischen Rücken (MAR) zahlreiche Kohlenwasserstoffe beobachtet, darunter C9–C14-n-Alkane, verzweigte C9–C13-Alkane, C9–C11-Cycloalkane, nichtaromatische C7–C12-Kohlenwasserstoffe, Naphthalin, Methylnaphthalin und C13–C16-PAK (Fluoren, Phenanthren und Pyren). Ebenso wurde in den hydrothermalen Sedimenten des Lost City-Quellenfelds im nördlichen Teil des MAR eine große Menge an n-Alkanen mit C15–C30-Ketten sowie PAK mit drei oder vier Ringen nachgewiesen. Die tiefe Biosphäre könnte teilweise energetisch durch Kohlenwasserstoffe unterstützt werden; wir wissen jedoch nur wenig über dieses einzigartige Ökosystem. Hydrothermale Quellen in der Tiefsee könnten die Gewinnung von tiefer Materie und Energie durch einzigartige Extremophile begünstigen und Hinweise zum Verständnis der Verbindung von Tiefseeleben und abiotischen und biotischen Prozessen unter dem Meeresboden liefern. Kürzlich wurde festgestellt, dass Alkanoxidationsgene, die kurzkettige Alkanmonooxygenasen, Abbauwege für entsprechende Alkohole und kurzkettige Fettsäuren kodieren, im Metatranskriptom und Metagenom der hydrothermalen Plume reichlich vorhanden sind, und diese Gene könnten von der unkultivierten Bakteriengruppe SAR324 stammen. Darüber hinaus wurde in der hydrothermalen Plume des Guaymas-Beckens eine hohe Diversität von Alkanmonooxygenasen beobachtet, die phylogenetisch mit Enzymen verwandt sind, die an der C1-C4-Alkanoxidation beteiligt sind. AußerdemGene, die am anaeroben Abbau von Kohlenwasserstoffen beteiligt sind, wurden auch bei mehreren Stämmen in den Sedimenten des Guaymas-Beckens entdeckt, darunter Bacteroidetes, Chloroflexi, Deltaproteobacteria und der Kandidatenstamm Latescibacteria (WS3). Metagenomische und metatranskriptomische Ansätze enthüllten das Vorhandensein verschiedener Methyl-Coenzym-M-Reduktase-basierter Alkane oxidierender Archaeen, darunter der Mehrkohlenstoff-Alkanoxidierer Ca. Syntrophoarchaeum spp., anaerobe Methan oxidierende Archaeen (ANME-1 und ANME-2c) und sulfatreduzierende Bakterien (HotSeep-1 und Seep-SRB2), die mit sulfatreduzierenden Bakterien koexistieren und das Potenzial zur Alkanoxidation in hydrothermalen Sedimenten des Guaymas-Beckens zeigten. Diese Fortschritte basieren jedoch hauptsächlich auf Metadaten, während nur wenige Kohlenwasserstoff oxidierende Mikroben aus tiefen Ökosystemen isoliert wurden. In den letzten zehn Jahren haben wir die bakterielle Vielfalt erforscht, die am Abbau von PAHs in Tiefseesedimenten des MAR, des Westpazifiks [ und der Arktis sowie in den Tiefseesäulen des südwestlichen Indischen Rückens beteiligt ist. Vielfalt von Bakterien, die durch Kohlenwasserstoffe in situ angetrieben werden können. Hier berichten wir über die mikrobielle Vielfalt von aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe abbauenden Bakterien in den Schlotfahnen, Kaminsulfiden und nahegelegenen Sedimenten und bestätigen ihre Aktivität unter In-situ-Bedingungen. Die Ergebnisse erweitern den Wissensbestand über die potenziell Kohlenwasserstoffe verwertende mikrobielle Gemeinschaft, die das Ökosystem der hydrothermalen Quellen bewohnt, und fördern das Verständnis ihrer Wechselwirkungen mit extremen Umgebungen. Materialien und Methoden Proben und ihre Beschreibungen finden Sie in Tabelle S1 und in den ergänzenden Materialien und Methoden. Detaillierte Beschreibungen der Chemikalien und Anreicherungsmedien finden Sie auch in den ergänzenden Materialien und Methoden. Kohlenwasserstoffanalyse Zur Feststellung der Kohlenwasserstoffkonzentrationen in den Proben hydrothermaler Federn wurde eine Methode verwendet, die Rührstabextraktion, thermische Desorption–Gaschromatographie–Massenspektrometrie und das Softwarepaket Hydro-CARB® (IFP, Rueil-Malmaison, Frankreich) kombinierte. Die Einzelheiten dieser Verfahren sind in den ergänzenden Materialien und Methoden beschrieben. Anreicherung von Kohlenwasserstoff abbauenden Bakterien bei hohem Druck Die Tiefsee-ähnliche Kultivierung wurde unter hohem Druck und niedrigen Temperaturen in der Kammer eines HP-Gefäßes durchgeführt, wie in den ergänzenden Materialien und Methoden beschrieben. Stabile Isotopensondierungsexperimente Stabile Isotopensondierungsexperimente (SIP) für die oben genannten Federn-, Sulfidablagerungs- und Sedimentanreicherungen wurden mit 13C-markierten Alkanen und PAKs durchgeführt und ergaben insgesamt 12 Proben. Die Einzelheiten dieser Verfahren sind in den ergänzenden Materialien und Methoden beschrieben. Isolierung heterotropher, Kohlenwasserstoff abbauender Bakterien. Serielle Verdünnungen der Anreicherungen wurden auf M2-Agarplatten ausgestrichen und dann bei 15 °C inkubiert, bis die Bildung von Bakterienkolonien beobachtet wurde.Kolonien mit einzigartigen morphologischen Merkmalen wurden ausgewählt und erneut auf M2-Platten ausgestrichen, um Reinkulturen zu erhalten, die dann für weitere Analysen bei −20 °C aufbewahrt wurden. Die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft der Plume-Proben des neu entdeckten Hydrothermalfelds namens Deyin-1 am südlichen MAR (15°S) ist in dargestellt. In der aufsteigenden Plume-Probe (SAP-1_S) waren die mit Gamma-Proteobakterien (31,5 %) und Epsilon-Proteobakterien (19,2 %) verbundenen 16S-rRNA-Gensequenzen sehr häufig. Unter den nachgewiesenen Gamma-Proteobakterien waren die Konzentrationen der folgenden Gattungen relativ hoch: Alcanivorax (7,4 % der Gesamtzahl), Glaciecola (6,7 %), Marinobacter (3,7 %), SUP05-Kladesequenzen (3,7 %), Cycloclasticus (2,3 %) und Alteromonas (1,8 %). Unter den Epsilon-Proteobakterien-Sequenzen waren die Gattungen Sulfurimonas (11,9 %), Sulfurovum (4,9 %) und Arcobacter (2,1 %) in relativ hohen Konzentrationen vorhanden. Darüber hinaus wurden in der aufsteigenden Wolke die SAR324-Klade (4,4 %) der Delta-Proteobakterien und die SAR202-Klade (3,2 %) der Chloroflexi nachgewiesen. budivey@iveyinternational.com