Functional genes and gene array analysis as tools for monitoring hydrocarbon biodegradation

Bioremediation, which is the exploitation of the intrinsic ability of environmental microbes to degrade and remove harmful compounds from nature, is considered to be an environmentally sustainable and cost-effective means for environmental clean-up. However, a comprehensive understanding of the biodegradation potential of microbial communities and their response to decontamination measures is required for the effective management of bioremediation processes. In this thesis, the potential to use hydrocarbon-degradative genes as indicators of aerobic hydrocarbon biodegradation was investigated. Small-scale functional gene macro- and microarrays targeting aliphatic, monoaromatic and low molecular weight polyaromatic hydrocarbon biodegradation were developed in order to simultaneously monitor the biodegradation of mixtures of hydrocarbons. The validity of the array analysis in monitoring hydrocarbon biodegradation was evaluated in microcosm studies and field-scale bioremediation processes by comparing the hybridization signal intensities to hydrocarbon mineralization, real-time polymerase chain reaction (PCR), dot blot hybridization and both chemical and microbiological monitoring data. The results obtained by real-time PCR, dot blot hybridization and gene array analysis were in good agreement with hydrocarbon biodegradation in laboratory-scale microcosms. Mineralization of several hydrocarbons could be monitored simultaneously using gene array analysis. In the field-scale bioremediation processes, the detection and enumeration of hydrocarbon-degradative genes provided important additional information for process optimization and design. In creosote-contaminated groundwater, gene array analysis demonstrated that the aerobic biodegradation potential that was present at the site, but restrained under the oxygen-limited conditions, could be successfully stimulated with aeration and nutrient infiltration. During ex situ bioremediation of diesel oil- and lubrication oil-contaminated soil, the functional gene array analysis revealed inefficient hydrocarbon biodegradation, caused by poor aeration during composting. The functional gene array specifically detected upper and lower biodegradation pathways required for complete mineralization of hydrocarbons. Bacteria representing 1 % of the microbial community could be detected without prior PCR amplification. Molecular biological monitoring methods based on functional genes provide powerful tools for the development of more efficient remediation processes. The parallel detection of several functional genes using functional gene array analysis is an especially promising tool for monitoring the biodegradation of mixtures of hydrocarbons.

Biopuhdistuksessa pilaantunutta ympäristöä kunnostetaan haitallisia yhdisteitä hajottavia, ympäristössä luonnollisesti esiintyviä mikrobeja hyväksi käyttäen. Biopuhdistusta pidetään ympäristön kannalta kestävänä sekä taloudellisesti kannattavana kunnostusmenetelmänä. Biologisten puhdistusprosessien hallitseminen vaatii kuitenkin hyvää ymmärrystä mikrobiyhteisöjen hajotuspotentiaalista sekä haitta-aineita hajottavissa mikrobeissa kunnostuksen seurauksena tapahtuvista muutoksista. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin hiilivetyjen hajotuksesta vastaavien geenien soveltuvuutta hiilivetyjen biohajoamisen seurantaan. Jotta useiden hiilivetyjen biohajoamista olisi mahdollista seurata samanaikaisesti, tutkimuksessa kehitettiin suoraketjuisten sekä monoaromaattisten ja polyaromaattisten hiilivetyjen hajotusgeeneistä koostuvat pienimuotoiset geeniarrayt. Menetelmien toimivuutta hiilivetyjen biohajoamisen seurannassa arvioitiin sekä laboratoriomittakaavan biohajoamiskokeissa että kenttämittakaavan biopuhdistusprosesseissa. Laboratoriomittakaavan biohajoamiskokeissa molekyylibiologisilla seurantamenetelmillä mitatut muutokset hajotusgeenien määrissä olivat yhdenmukaisia hiilivetyjen biohajoamisen kanssa. Geeniarray-analyysi mahdollisti useiden hajotusgeenien ja siten useiden erilaisten hiilivetyjen biohajoamisen tutkimisen samanaikaisesti. Hajotusgeenien tutkiminen molekyylibiologisten menetelmien avulla lisäsi biologisten kunnostusprosessien optimoinnissa ja suunnittelussa tarvittavaa tietoa myös kenttämittakaavan biopuhdistusprosesseissa. Esimerkiksi kreosootilla pilaantuneessa pohjavedessä geeniarray-analyysi osoitti, että kohteessa esiintyvää, mutta hapettomien olosuhteiden rajoittamaa, hiilivetyjen hajotuspotentiaalia oli mahdollista aktivoida hapettamalla sekä lisäämällä ravinteita. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että hajotusgeenit ja niihin perustuvat molekyylibiologiset seurantamenetelmät muodostavat tehokkaita seurantatyökaluja, joiden avulla on mahdollista kehittää entistä tehokkaampia ja hallittavampia kunnostusprosesseja. Useiden hajotusgeenien samanaikainen tunnistaminen geeniarray-analyysiin perustuen on erityisen lupaava menetelmä hiilivetyseosten biohajoamisen seurantaan.