Influence of biotic and abiotic factors on the composition and function of a 4-chlorosalicylate degrading consortium
A model microbial community was developed to elucidate environmental parameters which regulate biodegradative activities in pollutant sites. The identification of influential parameters and the study of response mechanisms will support the application and enhance the usefulness of microbial consortia in bioremediation and related fields. The model was a stable chemostat consortium, which consisted of four bacterial strains, maintained under carbon limited conditions with 4-chlorosalicylate (4-CS) as sole source of carbon and energy. The influence of perturbations (additional carbon sources, oxygen concentration reduction, and competing bacterial strains) on the structure and degradative function of the consortium was studied. In addition, characteristic kinetic parameters of the consortium were assessed and compared to the very parameters of the main degrader, P. sp. MT 1. The chemostat was monitored in terms of the consortium composition (by indirect immunofluorescence), the 4 CS concentration, and accumulation of metabolic intermediates of 4-CS degradation, such as 4-chlorocatechol and the antibiotically active protoanemonin (by HPLC). No significant differences were found comparing the kinetic parameters of the consortium and P. sp. MT 1. Probably other parameters explain the consortium cohesion such as the mineralisation of metabolites (which would otherwise become toxic for the consortium) by consortium members. The addition of easily degraded carbon sources, such as histidine or nutrient broth, resulted in a shift of the consortium structure. P. sp. MT 4 and , E. brevis MT 2 respectively, reached 50% in abundance, and 4-CS was simultaneously degraded. The additional feeding of ethanol resulted in a system breakdown, probably due to the inhibition of primary degrader P. sp. MT 1. Here the boundaries of the efficiency of the 4-CS degrading consortium were found. The reduction of oxygen concentration resulted in the activation of a different, additional pathway, the meta-cleavage pathway. The introduction of the engineered strain P. putida G7::4/4 or P. sp. B13 SN45P, potential competitors with strains of the consortium, resulted in the co-existence of the competing strain and the consortium. An introduced environmental isolate, P. putida A02, was washed out. The ability of one factor to influence the degradation of the consortium was based on the ecological role of the influenced consortium member strain. Changes in abundance of P. sp. MT 1, which was the single strain able to perform the first step of the 4-CS degradation, affected the 4-CS degradation. Changes in the abundance of species with similar ecological effects (like the metabolism of secondary substrates) gave stability to the system, and the 4 CS degradation continued. In addition, stability was found to be linked to community flexibility, reflected in the ability to shift the carbon flow through various alternative pathways. The results of this work support the view that consortia (or communities) are feasible for bioremediation processes, as they posses various mechanisms which enable them to react to environmental changes.
Ein mikrobielles Modellsystem wurde entwickelt, um Umweltparameter zu identifizieren, die biodegradative Aktivitäten von Schadstoffen regulieren. Zusätzlich wurde ermittelt, wie dieses Modell (in seiner qualitativen und quantitativen Zusammensetzung) auf die Veränderungen der Umweltfaktoren reagiert. Als Modell diente ein stabiles, aus 4 Bakterienstämmen bestehendes Konsortium, welches 4 Chlorsalicylat (4 CS) als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzte. Der Einfluss von Störungen (zusätzliche Kohlenstoff-quellen, Sauerstoffkonzentrationsreduktion und konkurrierende Bakterienstämme) auf die Struktur und abbauende Funktion des Konsortiums wurde erforscht. Folgende Parameter wurden erfasst: die Konsortiumzusammensetzung (mittels indirekter Immunfluoreszens); die 4-CS Konzentration; und die Akkumulation von metabolischen Intermediaten des 4-CS Abbaus, wie 4-Chlorcatechol und das antibiotisch aktive Protoanemonin (mittels HPLC). Zusätzlich wurden charakteristische kinetische Parameter des Konsortiums erfasst und mit denen des Hauptabbauers, Pseudomonas (P.) sp. MT 1, verglichen. Dieser Vergleich ergab keine signifikanten Unterschiede. Der Zusammenhalt des Konsortiums lässt sich höchstwahrscheinlich durch andere Parameter erklären, wie z. B. die Mineralisation von giftigen Metaboliten durch Konsortiumsmitglieder. Die Zugabe von leicht abbaubaren Kohlenstoffquellen, wie Histidin oder „Nutrient Broth“ resultierte in einer Veränderung der Konsortiumsstruktur. P. sp. MT 4 und Empedobacter brevis MT 2 erreichten jeweils 50 % der Gesamtbakteriendichte, und 4-CS wurde gleichzeitig weiterhin abgebaut. Die zusätzliche Zugabe von Ethanol resultierte in einem Systemzusammenbruch, höchstwahrscheinlich aufgrund der Inhibition des Hauptabbauers P. sp. MT 1. Die Reduktion der Sauerstoffkonzentration resultierte in der Aktivierung eines zusätzlichen Abbauweges, charakterisiert durch Extradiol-Spaltung des 4-Chlorcatechols. Die Zugabe des genetisch veränderten Stammes P. putida G7::4/4 oder P. sp. B13 SN45P, welcher jeweils mit Kon-sortiumsmitgliedern konkurrierte, resultierte in der Koexistenz des zugegebenen Stammes mit dem Konsortium. Ein zugegebenes Umweltisolat, P. putida A02, wurde ausgewaschen. Die Fähigkeit eines Faktors, die Abbauleistung des Konsortiums zu beeinflussen, basierte auf der ökologischen Rolle des beeinflussten bakteriellen Konsortiumsmitglieds. Veränderungen in der Abundanz des Hauptabbauers P. sp. MT 1, des Stammes, der für den ersten Schritt des 4-CS Abbaus verantwortlich war, beeinflussten den 4-CS Abbau. Abundanzveränderungen von Stämmen mit ähnlichen ökologischen Rollen (z. B. dem Abbau von Metaboliten) gaben dem System Stabilität und der 4-CS Abbau wurde fortgesetzt. Konsortiumflexibilität (z. B. Kohlenstofffluss über verschiedene Abbauwege) wirkte stabilisierend. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die Meinung, dass bakterielle Konsortien (oder - Gemeinschaften) für biodegradative Anwendungen nutzbar sind, da diese unterschiedliche Mechanismen besitzen, mit denen sie auf Umweltveränderungen reagieren können.
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