Isolation and study of bacteria able to degrade pesticides contained in the wastewaters produced by the fruit-packaging industry

Abstract

Fruits are particularly vulnerable to fungal infestations or other physiological disorders during storage thus diminishing their market value. Post-harvest fruit treatments with fungicides like thiabendazole (TBZ), imazalil (IMZ), and ortho-phenyl-phenol (OPP), and antioxidants like diphenylamine (DPA) are the most effective means to minimize fruit spoilage in storage. Pesticide application methods in fruit-packaging plants are water-based generating at the end of the process large volumes of wastewaters containing high concentrations of pesticide. Direct discharge of these wastewaters into the environment without prior treatment constitutes a serious point-source of contamination. Therefore, a treatment system able to efficiently depurate these wastewaters is required. However, the only system actually patented (CONTROL TEC-ECO® system) is highly costly precluding its market uptake. Thus, a sustainable, cheap, effective, and environmentally friendly method for the depuration of the fruit packaging wastewater is needed. The development of biological treatment facilities based on the degrading ability of microorganisms seems promising. However, very little (OPP, DPA) or nothing (TBZ, IMZ) is known regarding the microbial degradation of those chemicals. Thus the main research aim of this thesis was to isolate and characterize bacteria able to degrade the major pesticides used in the fruit packaging industry (TBZ, IMZ, OPP, and DPA). Enrichment cultures from soils collected from wastewater disposal sites led to the isolation of TBZ, OPP, and DPA-degrading bacteria showing high potential for bioremediation applications, while, despite different attempts, it was not possible to isolate any bacterium able to degrade IMZ.

Κατά την αποθηκευσής τους, τα φρούτα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε μυκητολογικές προσβολές ή άλλες φυσιολογικές διαταραχές, που περιορίζουν την εμπορικη τους αξία. Οι μετασυλλεκτικές εφαρμογές μυκητοκτόνων όπως τα thiabendazole (TBZ), imazalil (IMZ), και ortho-phenyl-phenol (OPP), αλλά και αντιοξειδωτικών όπως το diphenylamine (DPA) είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος αντιμετώπισης ανάλογων προβλημάτων που παρουσιάζονται κατά την αποθήκευση. Οι μέθοδοι εφαρμογής των γεωργικών φαρμάκων που χρησιμοποιούνται στα συσκευαστήρια φρούτων βασίζονται στη χρήση νερού και οδηγούν στο τέλος της διαδικασίας στην παραγωγή μεγάλου όγκου υγρών αποβλήτων με υψηλές συγκεντρώσεις γεωργικών φαρμάκων. Η άμεση απόριψη των παραγόμενων υγρών αποβλήτων στο περιβάλλον, χωρίς προηγούμενη επεξεργασία, αποτελεί σοβαρό κίνδυνο σημειακής ρύπανσης. Ως εκ τούτου, απαιτείται η ύπαρξη ενός συστήματος διαχείρισης ικανού να αποτοξικοποιήσει τα υγρά απόβλητα που προέρχονται από τα συσκευαστήρια φρούτων. Ωστόσο, το μόνο κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σύστημα διαχείρισης υγρών αποβλήτων (CONTROL TEC-ECO® system) χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλό κόστος αποκλείοντας έτσι τη γενικευμένη χρήση του στην αγορά. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη για μια αειφόρο, φθηνή, αποτελεσματική και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο αποτοξικοποίησης των αποβλήτων που παράγονται από τα συσκευαστήρια φρούτων. Η ανάπτυξη βιολόγικών συστημάτων διαχείρισης με βάση την ικανότητα των μικροοργανισμών να διασπούν τα γεωργικά φάρμακα είναι μια πολλά υποσχόμενη προοπτική για το μέλλον. Ωστόσο, οι γνώσεις μας σχετικά με την μικροβιακή αποτοξικοποίηση των συγκεκριμένων γεωργικών φαρμάκων είναι ελάχιστες (OPP, DPA) έως μηδαμινές (TBZ, IMZ). Για το λόγο αυτό, βασικός ερευνητικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η απομόνωση και ο χαρακτηρισμός βακτηρίων ικανών να διασπούν τα κύρια γεωργικά φάρμακα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία της συσκευασίας των φρούτων (TBZ, IMZ, OPP, and DPA). Εμπλουτισμένες καλλιέργειες από εδάφη που συλλέχθηκαν από σημεία όπου απορίπτονταν υγρά απόβλητα από συσκευαστήρια φρούτων οδήγησαν στην απομόνωση βακτηρίων ικανών να διασπούν ΤΒΖ, ΟΡΡ και DPA, αποδεικνύοντας υψηλό δυναμικό για εφαρμογή τους σε συστήματα αποτοξικοποίησης, ενώ παρά τις όποιες προσπάθειες δεν αποδείχτηκε δυνατή η απομόνωση κάποιου βακτηρίου ικανού να διασπάσει το ΙΜΖ.