Microbial activities in boreal soils: Biodegradation of organic contaminants at low temperature and ammonia oxidation

This thesis deals with the response of biodegradation of selected anthropogenic organic contaminants and natural autochthonous organic matter to low temperature in boreal surface soils. Furthermore, the thesis describes activity, diversity and population size of autotrophic ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in a boreal soil used for landfarming of oil-refinery wastes, and presents a new approach, in which the particular AOB were enriched and cultivated in situ from the landfarming soil onto cation exchange membranes. This thesis demonstrates that rhizosphere fraction of natural forest humus soil and agricultural clay loam soil from Helsinki Metropolitan area were capable of degrading of low to moderate concentrations (0.2 50 µg cm-3) of PCP, phenanthrene and 2,4,5-TCP at temperatures realistic to boreal climate (-2.5 to +15 °C). At the low temperatures, the biodegradation of PCP, phenanthrene and 2,4,5-TCP was more effective (Q10-values from 1.6 to 7.6) in the rhizosphere fraction of the forest soil than in the agricultural soil. Q10-values of endogenous soil respiration (carbon dioxide evolution) and selected hydrolytic enzyme activities (acetate-esterase, butyrate-esterase and β-glucosidase) in acid coniferous forest soil were 1.6 to 2.8 at temperatures from -3 to +30 °C. The results indicated that the temperature dependence of decomposition of natural autochthonous soil organic matter in the studied coniferous forest was only moderate. The numbers of AOB in the landfarming (sandy clay loam) soil were determined with quantitative polymerase chain reaction (real-time PCR) and with Most Probable Number (MPN) methods, and potential ammonium oxidation activity was measured with the chlorate inhibition technique. The results indicated presence of large and active AOB populations in the heavily oil-contaminated and urea-fertilised landfarming soil. Assessment of the populations of AOB with denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) profiling and sequence analysis of PCR-amplified 16S rRNA genes showed that Nitrosospira-like AOB in clusters 2 and 3 were predominant in the oily landfarming soil. This observation was supported by fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis of the AOB grown on the soil-incubated cation-exchange membranes. The results of this thesis expand the suggested importance of Nitrosospira-like AOB in terrestrial environments to include chronically oil-contaminated soils.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia suomalaisen maaperän kykyä hajottaa orgaanisia ympäristömyrkkyjä ja maanperän omia luontaisia biopolymeerejä alhaisissa lämpötiloissa. Lisäksi tässä työssä tutkittiin ammoniakkia hapettavien bakteerien populaatiorakennetta ja aktiivisuuksia öljyhiilivetyjen voimakkaasti pilaamassa maaperässä. Orgaanisten ympäristömyrkkyjen biohajoamista tutkittiin Helsingin yliopiston Viikin koe- ja tutkimustilalla Helsingissä, ja metsämaan orgaanisen aineen hajotusaktiivisuuksia Helsingin yliopiston Hyytiälän metsäasemalla Juupajoella, Hämeessä. Väitöskirjassa osoitettiin, että viljellyn peltomaan ja luonnontilaisen lehtimetsän juuristovyöhykkeen mikrobit hajottivat polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä ja polykloorattuja fenoleja hiilidioksidiksi ja vedeksi pohjoisia oloja vastaavissa lämpötiloissa (-2.5º - +15 ºC). Tutkimustulokset viittaavat siihen, että maaperän mikrobien luontainen kyky hajottaa orgaanisia ympäristömyrkkyjä alhaisessa lämpötilassa oli tehokkaampaa pienissä (≤ 5.0 µg cm-3) kuin suurisssa (50 µg cm-3) haitta-ainepitoisuuksissa. Podsoloituneen havumetsämaan maahengitys- (hiilidioksidituotanto) ja hydrolyyttiset entsyymiaktiivisuudet olivat yhtäläisiä tai korkeampia lokakuussa kuin heinä-elokuussa. Tulokset osoittivat, että havumetsämaa oli biologisesti aktiivinen myös kylmänä vuosipuoliskona, ja että metsämaan mikrobiaktiivisuksia säätelivät myös muut tekijät kuin alhainen lämpötila. Tämä väitöskirjatutkimus osoitti lisäksi, että öljyisillä lietteillä voimakkaasti pilaantuneeseen ja urealannoitettuun peltomaahan oli kehittynyt ammoniakkia hapettava mikrobiyhteisö, joka sietää korkeita öljyhiilivetypitoisuuksia. Ammoniakkia hapettavat bakteerit olivat sopeutuneet kasvamaan öljyllä pilaantuneessa maassa, ja näin ollen ne voisivat toimia myös öljyisen maan puhdistajina. Nykyaikaisten, mikrobien DNA:ta hyödyntävien menetelmien ja maailmanlaajuisten tietokantojen avulla pystyttiin osoittamaan, että valtaosa öljyhiilivetyjen pilaaman peltomaan ammoniakkia hapettavista bakteereista oli läheisintä sukua Nitrosospira-sp. bakteereille. Öljyisen peltomaan luontaisesti ammoniakkia hapettavat bakteerit Nitrosospira-sp. onnistuttiin rikastamaan suoraan maahan sijoitettujen kationinvaihtokalvojen avulla. Tulokset osoittivat, että kationinvaihtokalvot soveltuvat hyvin ammoniakkia hapettavien bakteerien toteamiseen ja niiden ekologian tutkimiseen maaperässä.