Microbial ecology of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-degrading Mycobacterium and Sphingomonas in PAH-contaminated soil

Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK s) vormen een belangrijk e groep van hydrofobe vervuilende organische stoffen in de bodem. Door d e lage PAK-biobeschikbaarheid kan zelfs een bodem met een hoge PAK-vervu iling beschouwd worden als een oligotrofe omgeving voor micro-organismen . PAK-afbrekende bacteriën geïsoleerd uit PAK-vervuilde bodems behoren t ot een beperkt aantal genera, maar vooral Mycobacterium en&amp;nb sp;Sphingomonas worden beschouwd als sleutelorganismen in PAK-afbr ekende gemeenschappen in de bodem. Recente studies tonen aan dat PAK-afb rekende mycobacteriën misschien beter aangepast zijn dan Sphingo monas aan de lage PAK-biobeschikbaarheid en oligotrofe condities in P AK-vervuilde bodems. De studie van de microbiële ecologie van PAK-afbrek ende Mycobacterium en Sphingomonas in PAK-vervuild e bodem is van belang in de context van natuurlijke bioattenuatie en bio stimulatie als bioremediatiestrategieën voor PAK-vervuilde bodem. Versch illende experimenten met modelsystemen en historisch PAK-vervuilde bodem s werden ontworpen om de omgevingsfactoren, die het gedrag en de gemeens chapsdynamiek van PAK-afbrekende Mycobacterium en Sph ingomonas in de bodem bepalen, beter te begrijpen met nadruk op het e ffect van concentratie, structuur en biobeschikbaarheid van de PAK s. Om de hypothese te bestuderen dat mycobacteriën beter aangepast zijn dan sphingomonads aan het gebruik van PAK s met lage biobeschikbaarheid, we rden mineralisatie-experimenten uitgevoerd met poreuze, synthetische mod elsystemen met gesorbeerd fenantreen. PAK-afbrekende Mycobacteri um stammen werden minder beïnvloed door de dalende PAK-biobeschikbaar heid vergeleken met Sphingomonas stammen. Toevoeging van mini male nutriënten had echter een voordeliger effect op de mineralisatie va n gesorbeerd fenantreen door Sphingomonas dan door My cobacterium. De resultaten tonen aan dat Mycobacterium bet er aangepast is aan het gebruik van gesorbeerd fenantreen, vergeleken me t Sphingomonas, vooral in het geval van arme nutriëntconditie s. Om de omgevingsfactoren te bestuderen die de Mycobacterium ge meenschap in PAK-vervuilde bodems bepalen, werd een relatie gelegd tusse n de aanwezigheid van Mycobacterium, de fysico-chemische bode meigenschappen en de PAK-afbraakcapaciteit in acht historisch PAK-vervui lde bodems met een verschillende graad van veroudering van de PAK-vervui ling. Er werd geen relatie gevonden tussen de aanwezigheid van M ycobacterium en bodemeigenschappen zoals kleigehalte en gehaltes aan totale organische koolstof, totale stikstof en minerale olie, maar er wa s wel een relatie tussen de aanwezigheid van Mycobacterium en de PAK-concentratie. Mycobacterium werd niet gedetecteerd in de twee bodems met de hoogste PAK-concentraties, maar was aanwezig in a lle andere bodems met blijkbaar de meest verouderde vervuilingen. Versch illen in relatieve mineralisatiekinetiek van vers toegevoegde fenantreen en pyreen konden opgemerkt worden tussen bodems met een verouderde PAK- vervuiling en bodems met een minder verouderde vervuiling. Deze verschil len konden verklaard worden door een verschillende PAK-afbrekende gemeen schap in beide bodemsoorten, mogelijk de Mycobacterium gemeen schap, maar ook door competitie voor mineralisatie tussen toegevoegde 14 C-gemerkte PAK s en natuurlijke PAK s aanwezig in de bodems met hoge PAK -concentraties. Tot besluit kan men stellen dat mycobacteriën misschien een rol spelen in de waargenomen mineralisatiecapaciteit voor pyreen en dat een hoge fenantreenconcentratie in PAK-vervuilde bodem kan leiden to t verlies van competitiviteit van PAK-afbrekende Mycobacterium</ &gt; ten opzichte van andere PAK-afbrekers in de bodem. De hypothese werd bestudeerd dat, in analogie met vasthechting aan de su bstraatbron in modelsystemen, Mycobacterium vooral geassociee rd is met bodempartikels aangerijkt met PAK s. De kleifractie van bodem K3663 met een verouderde PAK-vervuiling bevatte de grootste hoeveelheid PAK s en vertoonde, in tegenstelling met de zand- en leemfracties, direc te mineralisatie-activiteit voor pyreen en fenantreen na toevoeging van 14C-gemerkte pyreen of fenantreen. Mycobacterium vertegenwoor digde ongeveer 10% van de bacteriën in de kleifractie, terwijl dit slech ts ongeveer 0.1% was in de zand- en leemfracties. Mycobacteriën konden b ovendien geïdentificeerd worden tussen de belangrijkste cultiveerbare PA K-afbrekende populaties in zowel de totale bodem als de kleifractie. De resultaten tonen aan dat PAK-afbrekende mycobacteriën vooral geassocieer d zijn met PAK-aangerijkte bodempartikels en vandaar ondervindt Mycobacterium ook in PAK-vervuilde bodem misschien voordelen verbonde n met vasthechting aan het substraat. Om te bestuderen of de gemeenschapssamenstelling van Mycobacteri um en Sphingomonas in de bodem beïnvloed wordt door PAK-bi obeschikbaarheid en veroudering van de PAK-vervuiling, werd hun gemeensc hapsdynamiek onderzocht in twee PAK-vervuilde bodems met een verschillen d verouderde PAK-vervuiling nadat de concentratie, structuur en biobesch ikbaarheid van de PAK s kunstmatig veranderd werden. In bodem K3663, aan gerijkt met fenantreen of pyreen om de PAK-biobeschikbaarheid te verhoge n, werd snelle biodegradatie van de toegevoegde PAK s waargenomen. Dit g ing samen met een significante stijging van het aantal fenantreen- en py reenafbrekers, met een kleine, transiënte daling in diversiteit van de&amp;n bsp;Mycobacterium gemeenschap, en geen verandering in de S phingomonas gemeenschap. Een grote, transiënte verschuiving in de bac teriële gemeenschap, verbonden met de aangroei van &#947;-proteobac teriën zoals Pseudomonas, werd echter vastgesteld in de fenan treen-aangerijkte bodem, maar niet in de pyreen-aangerijkte bodem. In bo dem AndE met een minder verouderde PAK-vervuiling werd de biobeschikbare PAK-fractie geëxtraheerd door Tenax korrels om de PAK-biobeschikbaarhei d te doen dalen. De Sphingomonas gemeenschap in de geëxtrahee rde bodem ontwikkelde zich initieel tot een meer diverse gemeenschap, ma ar uiteindelijk daalde deze gemeenschap in omvang tot onder de detectiel imiet, terwijl mycobacteriën nooit werden gedetecteerd. Op lange termijn veranderde de bacteriële gemeenschap in een gemeenschap die gedomineerd werd door een &#947;-proteobacterie. Onze resultaten toonden aan d at veroudering van PAK-vervuiling in de bodem inderdaad de dynamiek van de algemene gemeenschap in de bodem beïnvloedt en mogelijk selecteert vo or verschillende PAK-afbrekende bacteriële populaties. De rol van < I&gt;Mycobacterium en Sphingomonas in deze populaties was ech ter niet zo duidelijk. Om te bestuderen of Mycobacterium ook aanwezig is als een afb reker van hoog- moleculair-gewicht (HMW)-PAK s in een extreem zure PAK-vervuilde bodem, werden aanrijkingsculturen met pyreen als enige bron van koolstof en ene rgie opgezet met zure PAK-vervuilde bodem als inoculum. Aanrijkingscultu ren die groeiden op pyreen bij pH 2 werden verkregen uit twee zure PAK-v ervuilde bodems en werden inderdaad gedomineerd door een Mycobac terium stam. Echter, in tegenstelling tot snel-groeiende PAK-afbreken de mycobacteriën geïsoleerd bij neutrale pH, was de stam geïsoleerd in d eze studie een traag-groeiend Mycobacterium species. Dit spec ies was ook de dominante Mycobacterium in de oorspronkelijke zure bodems en dit toont aan dat de geïsoleerde Mycobacterium stam ook een rol speelt in biodegradatie van HMW-PAK s in de oorspronke lijke bodems. Tot besluit kan men stellen dat dit onderzoek bijgedragen heeft tot een beter begrip van de omgevingsfactoren die het gedrag en de gemeenschapsd ynamiek van PAK-afbrekende Mycobacterium en Sphingomo nas in de bodem bepalen. Mycobacteriën lijken beter aangepast te zijn aan lage PAK-biobeschikbaarheid, vergeleken met sphingomonads, en verta len deze aanpassing in een kolonisatie van vooral bodems met een veroude rde PAK-vervuiling. Een mogelijke strategie die een rol speelt in de ove rleving van Mycobacterium in de omgeving van een PAK-vervuild e bodem, is de vasthechting van Mycobacterium aan de substraa tbron, hetgeen ook het geval was in een lange termijn vervuilde bodem on derzocht in deze studie. Kunstmatige veranderingen in PAK-biobeschikbaar heid in bodems vertoonden echter niet altijd de verwachte gemeenschapsdy namiek van Mycobacterium en Sphingomonas, hetgeen erop wijst dat de omgevingsfactoren die hun dynamiek in de bodem bepalen , meer complex zijn. Uiteindelijk werd aangetoond dat zelfs in zure bode m, Mycobacterium een belangrijke afbreker van HMW-PAK s blijf t. De resultaten geven bijkomende ondersteuning van het belang van bacte riële genera zoals Mycobacterium als PAK-afbrekende specialis ten in PAK-vervuilde bodems en van hun uitzonderlijke eigenschappen om z ich aan te passen aan zo n omgeving. Meer onderzoek om hun niche in PAK- vervuilde bodem te beschrijven en de rol van PAK-biobeschikbaarheid daar in, blijft belangrijk om het gedrag van PAK s in vervuilde bodems op lan ge termijn te begrijpen.status: publishe

Comparison of mineralization of solid-sorbed phananthrene by polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-degrading Mycobacterium spp. and Sphingomonas spp

The mineralization of 14C-phenanthrene, sorbed to porous synthetic amberlite sorbents, i.e., IRC50, XAD7-HP, and XAD2, by three phenanthrene-degrading Mycobacterium soil isolates, i.e., strains VM552, VM531, and VM451 and three phenanthrene-degrading Sphingomonas soil isolates, i.e., strains LH162, EPA505 and LH227, was compared. In P-buffer and in the presence of IRC50, for all strains the maximum rate of mineralization of 14C-phenanthrene was significantly higher (1.1-1.9 ng ml(-1) h(-1)) than the initial abiotic desorption rate (0.2 ng ml(-1) h(-1)), indicating that both Mycobacterium and Sphingomonas utilize sorbed phenanthrene with a higher rate than can be explained by abiotic desorption. Because all Mycobacterium and Sphingomonas strains belonged to different species, it can be suggested that this feature is intrinsic to those genera rather than a specific feature of a particular strain. The final mineralization extent in P-buffer in the presence of IRC50 was about a factor of two higher for the Mycobacterium strains compared to the Sphingomonas strains. Moreover, a significantly higher normalized phenanthrene mineralization ratio in the presence of IRC50 to the control (without IRC50) was found for the Mycobacterium strains compared to the normalized ratio found for the Sphingomonas strains. Addition of minimal nutrients had a more beneficial effect on phenanthrene mineralization by Sphingomonas compared to Mycobacterium, resulting into similar mineralization extents and rates for both types of strains in the presence of IRC50. Our results show that Mycobacterium is better adapted to utilization of sorbed phenanthrene compared to Sphingomonas, especially in nutrient-poor conditions.status: publishe

Characterization of Cultures Enriched from Acidic Polycyclic Aromatic Hydrocarbon-Contaminated Soil for Growth on Pyrene at Low pH▿

Two polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-contaminated soils of pH 2 were successfully used as inoculum to enrich cultures growing on phenanthrene and pyrene at different pHs, including pH 3. Selected pyrene-utilizing cultures obtained at pH 3, pH 5, and pH 7 were further characterized. All showed rapid [14C]pyrene mineralization at pH 3 and pH 5 and grew on pyrene at pH values ranging from 2 to 6. Eubacterial and mycobacterial 16S rRNA gene denaturing gradient gel electrophoresis fingerprinting and sequencing indicated that the cultures were dominated by a single bacterium closely related to Mycobacterium montefiorense, belonging to the slow-growing Mycobacterium sp. In contrast, a culture enriched on pyrene at pH 7 from a slightly alkaline soil sampled at the same site was dominated by Pseudomonas putida and a fast-growing Mycobacterium sp. The M. montefiorense-related species dominating the pyrene-utilizing cultures enriched from the acidic soils was also the dominant Mycobacterium species in the acidic soils. Our data indicate that a slow-growing Mycobacterium species is involved in PAH degradation in that culture and show that bacteria able to degrade high-molecular-weight PAHs at low pH are present in acidic PAH-contaminated soil

Pectin characterisation in vegetable waste streams: a starting point for waste valorisation in the food industry

Vegetable waste streams, which are a major disposal issue in food industry, present a promising source of compounds which may be valorised because of their favourable functional features. In this context, the potential of five vegetable waste streams (rejected carrots, carrot steam peels, green beans cutting waste, leek cutting waste and celeriac steam peels) as a source for the extraction of pectin with interesting structural, and hence functional, properties was evaluated. Specifically, cell-wall components were extracted from the waste streams as alcohol-insoluble residue and subsequently fractionated into different (pectin) fractions based on their solubility. The pectic polysaccharides were characterised in terms of GalA content, neutral sugar content, linearity/branching, degree of methyl-esterification (DM), molar-mass distribution and the presence of bound protein. Pectin characterisation revealed considerable differences between the pectic polymers present in the investigated waste streams. For example, pectin in carrot steam peels showed a low DM, whereas the cutting waste of leek contained pectin with a very high DM. Furthermore, the level of protein bound to pectin was generally highest in carrot-derived waste streams. Depending on the intended pectin functionality, a deliberate choice for one of these vegetable waste streams as a source for pectin extraction can be made.status: publishe

Supercritical CO2 Extraction of Bioactive Compounds from Mango (Mangifera indica L.) Peel and Pulp

The potential of supercritical CO2 (SC-CO2) for the extraction of bioactive compounds from mango by-products was assessed. Carotenoid extraction was optimized using a design of experiments based on temperature (35, 55 and 70 °C), pressure (10 and 35 MPa) and co-solvent addition (0%, 10% and 20% of ethanol or acetone). Moreover, the co-extraction of phenolic acids, flavonoids and xanthonoids was evaluated in a subset of parameters. Finally, a comparison was made between SC-CO2 and a two-step organic solvent extraction of the bioactive compounds from the pulp and peel fractions of two Ecuadorian varieties. The optimal extraction temperature was found to be dependent on the bioactive type, with phenolics requiring higher temperature than carotenoids. The optimal overall conditions, focused on maximal carotenoids recovery, were found to be 55 °C, 35 MPa and 20% of ethanol. The main carotenoid was β-carotene, while phenolics differed among the varieties. The bioactive content of the peel was up to 4.1-fold higher than in the pulp fraction. Higher antioxidant activity was found in the extracts obtained with organic solvents. SC-CO2 is a promising technology for the isolation of valuable compounds from mango by-products

MODEL2BIO. Modelling tool for giving value to agri-food residual streams in bio-based industries

&lt;p&gt;The agri-food industry generates around 50% of global waste, of which only 36% is recycled, although the potential recovery could be as high as 60%. These residual streams can be used as feedstock for the bio-based industry (BBI), provided that the composition, logistics and volume are carefully analysed. Within the framework of the European Model2Bio project (H2020-BBI-JTI-2019. No 887191), the authors are developing a Decision Support System (DSS) tool for the management of residual streams produced in agrifood companies. This will be an innovative concept that using predictive models will be able to select the best routes for valorising these streams considering their composition, seasonality, and industry location, among other factors. This innovative MODEL2BIO-DSS tool is based on the interconnection of three complementary elements (simulation module, optimisation algorithm and LCA module).&nbsp;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;The main advantage of the tool is the possibility of giving a holistic solution or prioritisation. Although there are many commercial programs for the simulation of industrial processes, these are mainly based on the analysis of specific facilities, and not on broader analyses with various industries, in which logistics plays a key role. Model2Bio will simulate the entire value chain providing recommendations from a holistic perspective (technical, economic, environmental and social), with the prioritisation of the valorisation possibilities through technical-economic criteria and the final decision through holistic criteria. Within the framework of the Model2Bio project, the tool is being tested in 3 European areas (Spain, Greece, Belgium) with the aim of analysing different management systems, with different degrees of development of valorisation technologies. To show the potential of this new concept for waste management, the final work will present the analysis and optimisation of the agri-food residual streams valorisation in La Rioja (Spain) carried out with the Model2Bio-DSS tool. In this analysis, a comparison of the current agri-food residual streams management and the optimised management will be presented, considering economic and holistic aspects.&nbsp;&lt;/p&gt