Interaction between helophytes and endophytic bacteria: their synergistic effects in bioremediation of contaminants

Abstract

Phytoremediation–based technologies are environmentally friendly alternatives for cleaning up soils or (ground)waters contaminated with metals and/or a variety of organic pollutants. These treatment methods exploit plants, their associated microorganisms and the developed interactions for contaminant removal or enhancement of plant stabilization and survival in such adverse environments. Constructed Wetlands (CWs) are low-cost wastewater treatment technologies that are part of phytoremediation applications. They are simplified systems but several physicochemical and biological processes take place in order to clean the water. In this thesis, an integrated approach exploiting the wetland plant Juncus acutus and its indigenous endophytic community was followed in order to investigate the capability of this meta-organism to clean water contaminated with metals, bisphenol-A, ciprofloxacin and/or sulfamethoxazole. After confirming experimentally the ability of the plant to treat efficiently bisphenol-A-contaminated water, the associated endophytic community of Juncus acutus was isolated and characterized. Many strains expressed plant growth promoting characteristics and were found to possess increased tolerance to metals such as Zn, Ni, Pb and Cd. Moreover, several endophytic bacterial strains tolerated and even used bisphenol-A and/or antibiotics (ciprofloxacin and sulfamethoxazole) as the sole carbon source. Some strains combined many of the desired characteristics and they were further used in a bioaugmentation strategy in order to investigate their potential to improve the efficiency of the wetland helophyte Juncus acutus to deal with mixed pollution consisting of emerging organic contaminants (EOCs) and metals at two concentration levels. The beneficial effects of inoculation with tailored endophytic bacteria separately and as a mixture were more prominent in case of high contamination. Especially, the plants inoculated with an endophytic consortium removed higher percentages of organics and metals from the liquid phase in shorter times compared to the non-inoculated plants without exhibiting significant oxidative stress. Moreover, the consortium inoculated plants’ phytoextraction capacity was enhanced in terms of observed metal concentrations in the plant compartments and also as total metal mass accumulated in the whole plant. A significant shift of the root endosphere communities was observed due to increased presence of contaminants while the inoculation effort did not have a significant impact. Metal concentration decreased the root bacterial diversity but the root composition of plants inoculated with the endophytic consortium was not affected by the increased metal concentrations. At all levels of contamination, the leaf endophytic communities were not affected either by contaminants or by the inoculation effect. Based on the experimental evidence from this work it can be inferred that bioaugmentation with indigenous endophytic bacteria is an appropriate strategy to be employed in systems such as constructed wetlands treating water with mixed contaminants. It appears that the developed synergistic relationships between plants and endophytic bacteria may point towards more efficient, resilient and robust phytoremediation applications.

Οι τεχνολογίες φυτοεξυγίανσης είναι φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές για την εξυγίανση του εδάφους ή των υδάτων από μέταλλα ή/και οργανικούς ρύπους. Βασίζονται στην εκμετάλλευση των φυτών, των σχετιζόμενων μικροοργανισμών και των αναπτυσσόμενων αλληλεπιδράσεων αυτών των δύο. Με αυτό τον τρόπο, επιτυγχάνεται η απομάκρυνση των ρύπων ή η εξασφάλιση της παρουσίας και βιωσιμότητας των φυτών σε αντίξοα περιβάλλοντα. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων με χαμηλό κόστος λειτουργίας και αποτελούν μία από τις πρακτικές εκφάνσεις της φυτοεξυγίανσης. Είναι απλοποιημένα συστήματα στα οποία συντελούνται φυσικοχημικές και βιολογικές διεργασίες για τον καθαρισμό του νερού.Στην παρούσα διατριβή, επιχειρήθηκε μία ολοκληρωμένη προσέγγιση του συστήματος του υδρόβιου φυτού Juncus acutus και της σχετιζόμενης με αυτό ενδοφυτικής κοινότητας, για τη μελέτη της ικανότητας αυτού του μετα-οργανισμού να καθαρίζει νερό ρυπασμένο με μέταλλα, δισφαινόλη, σιπροφλοξασίνη και σουλφαμεθοξαζόλη. Αρχικά η ικανότητα του φυτού να επεξεργαστεί νερό ρυπασμένο με δισφαινόλη διασφαλίστηκε πειραματικά και στη συνέχεια η σχετιζόμενη με αυτό ενδοφυτική κοινότητα απομονώθηκε και χαρακτηρίστηκε. Πολλά στελέχη βρέθηκαν ικανά να εκφράζουν ιδιότητες που προάγουν την ανάπτυξη του φυτού και ταυτόχρονα να μπορούν να αντέξουν αυξημένες συγκεντρώσεις μετάλλων (ψευδάργυρο, νικέλιο και κάδμιο). Επίσης, κάποια στελέχη μπορούσαν να ανεκτούν υψηλές συγκεντρώσεις δισφαινόλης ή/και αντιβιοτικών και να τα χρησιμοποιούν ως μοναδική πηγή άνθρακα. Τα ενδοφυτικά βακτήρια που βρέθηκαν να συνδυάζουν την πλειονότητα των επιθυμητών χαρακτηριστικών, επιλέχθηκαν για να χρησιμοποιηθούν σε πείραμα βιοενίσχυσης (bioaugmentation). Σκοπός του πειράματος ήταν να μελετηθεί η πιθανότητα αύξησης της αποδοτικότητας του υδρόβιου φυτού Juncus acutus να επεξεργαστεί νερό ρυπασμένο με μέταλλα και οργανικούς ρύπους σε δύο διαβαθμισμένες συγκεντρώσεις. Τα οφέλη του εμβολιασμού με ένα επιλεγμένο μείγμα ενδοφυτικών βακτηρίων ήταν εμφανή όταν η συγκέντρωση των ρύπων ήταν η υψηλότερη. Συγκεκριμένα, τα φυτά που εμβολιάστηκαν με αυτό το μείγμα βακτηρίων απομάκρυναν το μεγαλύτερο ποσοστό μετάλλων και οργανικών ρύπων από το διάλυμα σε συντομότερο χρόνο, σε σύγκριση με τα φυτά που δεν εμβολιάστηκαν. Ταυτόχρονα, τα εμβολιασμένα φυτά δεν έδειξαν σημάδια σημαντικού οξειδωτικού στρες. Ο εμβολιασμός με το επιλεγμένο μείγμα ενδοφυτικών βακτηρίων ωφέλησε και την εγγενή ικανότητα του φυτού να αποθηκεύει μέταλλα στο εσωτερικό του τόσο σε επίπεδο συγκέντρωσης όσο και στο επίπεδο συνολικής μάζας. Τα αυξημένα επίπεδα ρύπων προκάλεσαν σημαντική αλλαγή της ενδοφυτικής κοινότητας που εδρεύει στη ρίζα, ωστόσο η επίδραση των διαφορετικών προσπαθειών εμβολιασμού δεν επέφερε σημαντικές αλλαγές σε αυτήν. Οι συγκεντρώσεις των μετάλλων μείωσαν επίσης τη βακτηριακή ποικιλότητα αλλά η σύνθεση της κοινότητας της ρίζας των φυτών που εμβολιάστηκαν με το επιλεγμένο μείγμα βακτηρίων δεν επηρεάστηκε. Ακόμη, η κοινότητα των βακτηρίων που απομονώθηκε από τα φύλλα δε μεταβλήθηκε ως απόκριση στα αυξημένα επίπεδα των μετάλλων ή των εμβολιασμένων βακτηρίων.Τα πειραματικά αποτελέσματα συνηγορούν στο ότι η βιοενίσχυση με συγκεκριμένα αυτόχθονα ενδοφυτικά βακτήρια θεωρείται ως μία κατάλληλη στρατηγική για την αντιμετώπιση ρύπανσης από διαφορετικές πηγές και μπορεί να αξιοποιηθεί στους τεχνητούς υγροβιότοπους που καλούνται να επεξεργαστούν παρόμοια λύματα. Η εκμετάλλευση της συνεργιστικής δράσης των φυτών με τα ενδοφυτικά τους βακτήρια δείχνει ικανή να αυξήσει την αποδοτικότητα, την αντοχή και την ευρωστία των εφαρμογών φυτοεξυγίανσης.