Microbial diagnostic of chlorinated solvents contaminated sites

Le potentiel de biodégradation des éthènes chlorés (ECs) et du dichlorométhane (DCM) dans les eaux souterraines de l’ancien site industriel de Themeroil (Varennes-le-Grand, France) a été évalué par des études en microcosmes, à travers l’utilisation de biomarqueurs moléculaires, et par analyse isotopique spécifique au composé (compound specific isotope analysis, CSIA). L’objectif de ce travail a été d’évaluer i) la biodégradation de ces polluants et la diversité bactérienne associée dans les eaux du site, et ii) l’impact de mélanges de contaminants et des conditions rédox dans ce processus. L’implication majeure d’un taxon bactérien affilié à Dehalococcoides dans la dégradation du PCE dans les eaux du site, et son lien potentiel aux gènes de déshalogénase pceA et vcrA associés au processus de déchloration, ont été mises en évidence. La dégradation du DCM en présence d’ECs dans les eaux du site a ensuite été démontrée, et des souches bactériennes dégradant le DCM ont été isolées à partir d’eaux du site et caractérisées. La CSIA a révélé une forte biodégradation du DCM in situ. Des analyses des eaux du site, par qPCR ciblant les gènes dcmA et dhlA de la biodégradation bactérienne du DCM, et par séquençage haut-débit du gène de l’ARNr 16S, ont permis d’évaluer le rôle potentiel de différents taxa bactériens associés à la dégradation du DCM. Il a ainsi été montré que la répartition spatiale de ces taxa sur site dépend dans une large mesure des conditions rédox et du niveau de contamination. L’influence de ces paramètres sur la biodégradation, étudiée ensuite en microcosmes, a été confirmée par l’observation de différents profils de dégradation dans des conditions rédox et de co-contamination distinctes. Ceci suggère la participation de différents types de métabolisme à la biodégradation des éthènes et alcanes chlorés sur site. Les résultats obtenus confirment la pertinence d’études en microcosme pour évaluer le potentiel de biodégradation des polluants halogénés dans les sites contaminés, et pour orienter les traitements de dépollution à privilégier.The biodegradation potential of chlorinated ethenes (CEs) and dichloromethane (DCM) in groundwater from the former industrial site of Themeroil (Varennes-le-Grand, France) was evaluated in microcosm studies, using molecular biomarkers and compound-specific isotope analysis (CSIA). The objective of this work was to evaluate i) the biodegradation of these pollutants and the associated bacterial diversity in site groundwater, and ii) the impact of contaminant mixtures and redox conditions on biodegradation. The major role of a taxon affiliated to Dehalococcoides in PCE degradation in site groundwater, and its potential link to dehalogenase genes pceA and vcrA associated with the process, were highlighted. Degradation of DCM in the presence of CEs in site groundwater was then demonstrated, and DCM-degrading strains were isolated from site groundwater and characterised. CSIA revealed a large extent of DCM biodegradation in situ. Analyses of groundwater from the site, targeting dcmA and dhlA genes for DCM biodegradation by qPCR, as well as by high-throughput sequencing of the 16S rRNA gene, allowed to evaluate the potential role of different bacterial taxa associated with DCM dehalogenation in DCM degradation on site. It was shown that the spatial distribution of these taxa on site depends significantly from redox conditions and contamination level. The influence of these parameters on biodegradation was also investigated in microcosms, and distinct degradation profiles were observed under different redox and co-contamination conditions. This suggests that different types of metabolism participate in biodegradation of chlorinated ethenes and alkanes on site. Obtained results confirm the relevance of microcosm studies in evaluating halogenated pollutants biodegradation potential on contaminated sites, and in guiding the choice of remediation approaches to be favoured

Evaluation de la diversité métabolique de dégradation des HAPs et de leurs métabolites par les communautés microbiennes de divers sols de friches industrielles

Biodegradation of polycyclic aromatic compounds (PACs) and particularly of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is widely studied due to the ubiquitous distribution, the persistence in soil and the toxicity to human health of these compounds. In this study, the development of a technique using Biolog MT2 microplates has been used to assess the metabolic potential of soil microbial communities for the degradation of a range of aromatic compounds including PAHs, polar PACs and intermediate and final PAHs-degradation products. This technique was used to test the metabolic degradation potential of microbial communities after the recontamination of one soil with various aromatic compound (PAHs or metabolites) and for different soils under the influence of plants. Beside several bias of the technic, the results show that this technique allows to highlight changes in degradation profile between conditions. The re-contamination with phthalate, fluorene or 9-fluorenone decreases the microbial communities metabolic degradation potential for at least 4 compounds and conversely that re-contamination with phenanthrene or 1-hydroxy-2-naphthoate improves it for 5 compounds. In addition, the presence of plants causes an increase in metabolic potential degradation both Homécourt and Joeuf soils (54, France). The results also show that three soil with different level of PAH pollution have different metabolic profiles. Fluorescence spectrometry confirmed the phenanthrene degradation potential of the microbial communities of Neuves-Maisons soil. These results were compared to the quantification of phylogenetic markers (16S rDNA and 18S rDNA) and functionnal (PAHdioxygenases) genes. Even if the re-contamination of the soil did not modify the bacterial and fungal abundances, the pyrene re-contamination pyrene causes an increase of Gram-positive bacteria holding PAH-dioxygenases.La biodégradation des composés aromatiques polycycliques (CAPs) et notamment des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) est très étudiée du fait de la distribution ubiquitaire de ces composés, de leur persistance dans les sols et de leur toxicité pour la santé humaine. Au cours de ce stage, la mise au point d'une technique utilisant les microplaques Biolog MT2 à été réalisée dans le but d'évaluer le potentiel métabolique de dégradation de communautés microbiennes de différents sols vis-à-vis d'un panel de composés aromatiques parmi lesquels des HAPs, des CAPs polaires et des métabolites intermédiaires et finaux de dégradation des HAPs. Cette technique a permis de tester ce potentiel métabolique pour les communautés microbiennes d'un sol re-contaminé par plusieurs composés aromatiques (HAPs ou métabolites) et de différents sols sous l'influence ou non de la présence de plantes. Bien que certains biais relatifs à l'utilisation de la microplaque Biolog aient été rencontrés, les résultats montrent que cette technique permet de mettre en évidence des changements du profil de dégradation selon les conditions testées. On constate que la re-contamination du sol avec du phtalate, du fluorène ou du 9-fluorènone diminue le potentiel métabolique de dégradation des communautés microbiennes du sol pour au moins 4 composés aromatiques et à l'inverse que la recontamination avec du phénanthrène ou du 1-hydroxy-2-naphtoate améliore le potentiel de dégradation des communautés pour au moins 5 composés. En outre, la présence de plantes entraine une augmentation du potentiel métabolique de dégradation dans les sols de Homécourt et Joeuf (54, France). Les résultats montrent également que 3 sols, aux niveaux de pollution en HAPs variables, possèdent des profils métaboliques différents. La spectrométrie de fluorescence a permis de confirmer le potentiel métabolique du sol de Neuves-Maisons vis-à-vis du phénanthrène. Par ailleurs ces résultats ont été mis en relation avec la quantification de divers gènes marqueurs phylogénétiques (ADNr 16S et ADNr 18S) et fonctionnels (HAP-dioxygénases). Bien que les diverses re-contaminations du sol ne modifient pas les densités bactériennes et fongiques, la re-contamination avec du pyrène entraine une augmentation de l'abondance des HAP-dioxygénases des bactéries à Gram positif

Functional Genes and Bacterial Communities During Organohalide Respiration of Chloroethenes in Microcosms of Multi-Contaminated Groundwater

International audienceMicrocosm experiments with CE-contaminated groundwater from a former industrial site were set-up to evaluate the relationships between biological CE dissipation, dehalogenase genes abundance and bacterial genera diversity. Impact of high concentrations of PCE on organohalide respiration was also evaluated. Complete or partial dechlorination of PCE, TOE, cis-DCE and VC was observed independently of the addition of a reducing agent (Na2S) or an electron donor (acetate). The addition of either 10 or 100 mu M PCE had no effect on organohalide respiration. qPCR analysis of reductive dehalogenases genes (pceA, tceA, vcrA, and bvcA) indicated that the version of pceA gene found in the genus Dehalococcoides [hereafter named pceA(Dhc)] and vcrA gene increased in abundance by one order of magnitude during the first 10 days of incubation. The version of the pceA gene found, among others, in the genus Dehalobacter, Sulfurospirillum, Desulfuromonas, and Geobacter [hereafter named pceA(Dhb)] and bvcA gene showed very low abundance. The tceA gene was not detected throughout the experiment. The proportion of pceA(Dhc) or vcrA genes relative to the universal 16S ribosomal RNA (16S rRNA) gene increased by up to 6-fold upon completion of cis-DCE dissipation. Sequencing of 16S rRNA amplicons indicated that the abundance of Operational Taxonomic Units (OTUs) affiliated to dehalogenating genera Dehalococcoides, Sulfurospirillum, and Geobacter represented more than 20% sequence abundance in the microcosms. Among organohalide respiration associated genera, only abundance of Dehalococcoides spp. increased up to fourfold upon complete dissipation of PCE and cis-DCE, suggesting a major implication of Dehalococcoides in CEs organohalide respiration. The relative abundance of pceA and vcrA genes correlated with the occurrence of Dehalococcoides and with dissipation extent of PCE, cis-DCE and CV. A new type of dehalogenating Dehalococcoides sp. phylotype affiliated to the Pinellas group, and suggested to contain both pceA(Dhc) and vcrA genes, may be involved in organohalide respiration of CEs in groundwater of the study site. Overall, the results demonstrate in situ dechlorination potential of CE in the plume, and suggest that taxonomic and functional biomarkers in laboratory microcosms of contaminated groundwater following pollutant exposure can help predict bioremediation potential at contaminated industrial sites

Microbial molecular and isotopic biomarkers of chloroethene (PCE, TCE, DCE, CV) biodegradation to evaluate natural attenuation contaminated plumes: which added value?

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Microbial molecular and isotopic biomarkers of chloroethene (PCE, TCE, DCE, CV) biodegradation to evaluate natural attenuation contaminated plumes: which added value?

International audienceThe extensive use of aliphatic chlorinated hydrocarbons (e.g. tetrachloroethene (PCE) and its degradation products) as solvents and their hydrophobic proprieties has resulted in their accumulation and persistence in aquifers worldwide, representing a serious risk for human health and the environment. The monitoring of polluted sites (and their natural attenuation) benefits from the classical physical-chemical assessment of the plume. In addition, the evaluation of the potential of chlorinated hydrocarbons’ degradation relying on molecular biomarkers may be valuable for site diagnosis. In the framework of this research project (BioDisspol: Applicability of microbial biomarkers for evaluating natural attenuation of polluted sites) financed by ADEME (French Environment and Energy Management Agency), we evaluate the relationship between PCE, TCE, DCE and CV degradation and specific functional and taxonomic bacterial genes to eventually develop the role of biomarkers in a coherent framework of monitored natural attenuation (MNA). Groundwater was sampled biannually for two years in 12 piezometers at a contaminated site in France. Four parallel analytical approaches were coupled: (i) ground water physical-chemical parameters, (ii) compound-specific isotope fractionation analysis (CSIA) of chlorinated hydrocarbons, (iii) the quantification of taxonomic and functional genes, and (iv) microbial profiling with next generation sequencing (Illumina MiSeq). In addition to this onsite monitoring, the possible degradation capacities of specific molecules were assessed in batch assays, indeed validating the possibility of biological attenuation. Altogether, our results highlight the value of biological characterization of polluted sites to guide remediation strategies and site management

Microbial molecular and isotopic biomarkers for evaluating natural attenuation of chlorinated hydrocarbons in multi-contaminated sites

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Utilisation couplée de biomarqueurs microbiens moléculaires et isotopiques pour l’évaluation du potentiel de biodégradation de chloroéthènes (PCE, TCE, DCE, CV) dans une nappe polluée

International audienceL’utilisation intensive des hydrocarbures chlorés aliphatiques (tels que le tétrachloroéthylène (PCE) et ses produits de dégradation) a entraîné leur accumulation et leur persistance dans les aquifères du monde entier, représentant un risque sérieux pour la santé humaine et l'environnement. Leur (bio)remédiation nécessite en amont une caractérisation approfondie du panache de pollution. Or, bien qu’une caractérisation physico-chimique s’avère indispensable, une évaluation du potentiel de biodégradation àl’aide d’outils de biologie moléculaire et d’isotopie peut apporter une plus-value au diagnostic du site. La présente étude avait pour objectif d’évaluer si, dans une nappe contaminée par des éthènes chlorés (PCE, TCE, DCE et CV), une biodégradation a lieu et peut être reliée à l’abondance de certains gènes fonctionnels impliqués dans la déchloration réductrice et à une diversité bactérienne spécifique. In fine, la plus-value de ces approches moléculaires ainsi que leur combinaison avec l’isotopie composé spécifique est évaluée.Douze piézomètres, répartis au niveau de la source de la pollution (usine), du panache et de la frange, ont été suivis tous les 6 mois pendant 2 ans sur un ancien site industriel contaminé, et des analyses de quatre types ont été effectuées : i) caractérisation physico-chimique des eaux, ii) isotopie composéspécifique, iii) abondance de gènes fonctionnels spécifiques, et iv) analyse métagénomique de labiodiversité bactérienne. En plus de cette caractérisation in situ, des mesures de potentiels de dégradation des éthènes chlorés ont été réalisées en batch.Le suivi temporel et spatial (gènes fonctionnels et métagénomique) a permis de confirmer la présence de bactéries capables de dégrader les polluants, leur abondance (PCR quantitative), la présence d’une biodégradation in situ et son ampleur (isotopie composéspécifique ou CSIA). Ces résultats mettent en évidence la plus-value de la caractérisation biologique des sites pollués pour guider les stratégies de remédiation et la gestion du site

Biodégradation du cis-DCE par la communauté naturelle d'un aquifère contaminé et lien avec l'abondance des gènes fonctionnels

National audienceL'utilisation intensive d'hydrocarbures chlorés aliphatiques a entraîné leur accumulation et leur persistance dans de nombreux aquifères, ce qui représente un grave risque pour la santé humaine et l'environnement. De nombreux sites pollués sont classiquement diagnostiqués et surveillés par un suivi de la physico-chimie et des teneurs en polluants du panache. L'utilisation de biomarqueurs moléculaires reflétant un potentiel de biodégradation peut améliorer l'évaluation d'un potentiel d'atténuation de la pollution in situ et aider à établir un meilleur diagnostic du site. L'objectif de cette étude était d'évaluer la faisabilité de la biodégradation du cis-1,2-dichloroéthane (cDCE) et du chlorure de vinyle (VC) par la communauté microbienne d'un aquifère forte-ment contaminé, ainsi que son lien avec l'abondance de gènes fonctionnels impliqués dans leur dégradation (tceA, vcrA et bvcA). Cette approche peut aider à interpréter les profils d'abondance des gènes fonctionnels déterminés in situ. Des échantillons d'eau souterraine contaminée par du cDCE et du VC ont été incubés dans des conditions i) oxiques pour évaluer le potentiel des voies oxydatives, ii) anoxique sous N2 avec addition de H2 pour évaluer la déchloration réductrice et iii) anoxique sous N2 avec addition de 10 mM de Fe(III), puisque du Fe(II) était présent dans l'aquifère. La biodégradation par la communauté naturelle de l'eau a été clairement la plus efficace en présence de Fe(III), avec une réduction significative du cDCE et la formation de VC après environ 3 mois d'incubation, consécutive à la réduction du Fe(III) et du sulfate. Le gène vcrA était présent et son abondance constante pendant toute l'expérience. En revanche, le gène tceA n'a été détecté que pendant la phase active de dégradation du cDCE et du VC, avec un ratio tceA/16S atteignant 25% lorsque la grande majorité du cDCE a été dégradée. Ce résultat suggère que le gène tceA serait un biomarqueur pertinent de la biodégradation du cDCE et du VC dans cet aquifère

Biodégradation du cis-DCE par la communauté naturelle d'un aquifère contaminé et lien avec l'abondance des gènes fonctionnels

National audienceL'utilisation intensive d'hydrocarbures chlorés aliphatiques a entraîné leur accumulation et leur persistance dans de nombreux aquifères, ce qui représente un grave risque pour la santé humaine et l'environnement. De nombreux sites pollués sont classiquement diagnostiqués et surveillés par un suivi de la physico-chimie et des teneurs en polluants du panache. L'utilisation de biomarqueurs moléculaires reflétant un potentiel de biodégradation peut améliorer l'évaluation d'un potentiel d'atténuation de la pollution in situ et aider à établir un meilleur diagnostic du site. L'objectif de cette étude était d'évaluer la faisabilité de la biodégradation du cis-1,2-dichloroéthane (cDCE) et du chlorure de vinyle (VC) par la communauté microbienne d'un aquifère forte-ment contaminé, ainsi que son lien avec l'abondance de gènes fonctionnels impliqués dans leur dégradation (tceA, vcrA et bvcA). Cette approche peut aider à interpréter les profils d'abondance des gènes fonctionnels déterminés in situ. Des échantillons d'eau souterraine contaminée par du cDCE et du VC ont été incubés dans des conditions i) oxiques pour évaluer le potentiel des voies oxydatives, ii) anoxique sous N2 avec addition de H2 pour évaluer la déchloration réductrice et iii) anoxique sous N2 avec addition de 10 mM de Fe(III), puisque du Fe(II) était présent dans l'aquifère. La biodégradation par la communauté naturelle de l'eau a été clairement la plus efficace en présence de Fe(III), avec une réduction significative du cDCE et la formation de VC après environ 3 mois d'incubation, consécutive à la réduction du Fe(III) et du sulfate. Le gène vcrA était présent et son abondance constante pendant toute l'expérience. En revanche, le gène tceA n'a été détecté que pendant la phase active de dégradation du cDCE et du VC, avec un ratio tceA/16S atteignant 25% lorsque la grande majorité du cDCE a été dégradée. Ce résultat suggère que le gène tceA serait un biomarqueur pertinent de la biodégradation du cDCE et du VC dans cet aquifère