The potential of microbial ecological indicators to guide ecosophisticated management of hydrocarbon-contaminated soils

Soil is an unrenewable natural resource under increasing anthropogenic pressure. One of the main threats to soils, compromising their ability to provide us with the goods and ecosystem services we expect, is pollution. Oil hydrocarbons are the most common soil contaminants, and they disturb not just the biota but also the physicochemical properties of soils. Indigenous soil micro-organisms respond rapidly to changes in the soil ecosystem, and are chronically in direct contact with the hydrophobic pollutants on the soil surfaces. Soil microbial variables could thus serve as an intrinsically relevant indicator of soil quality, to be used in the ecological risk assessment of contaminated and remediated soils. Two contrasting studies were designed to investigate soil microbial ecological responses to hydrocarbons, together with parallel changes in soil physicochemical and ecotoxicological properties. The aim was to identify quantitative or qualitative microbiological variables that would be practicable and broadly applicable for the assessment of the quality and restoration of oil-polluted soil. Soil bacteria commonly react on hydrocarbons as a beneficial substrate, which lead to a positive response in the classical microbiological soil quality indicators; negative impacts were accurately reflected only after severe contamination. Hydrocarbon contaminants become less bioavailable due to weathering processes, and their potentially toxic effects decrease faster than the total concentration. Indigenous hydrocarbon degrader bacteria, naturally present in any terrestrial environment, use specific mechanisms to improve access to the hydrocarbon molecules adsorbed on soil surfaces. Thus when contaminants are unavailable even to the specialised degraders, they should pose no hazard to other biota either. Change in the ratio of hydrocarbon degrader numbers to total microbes was detected to predictably indicate pollutant effects and bioavailability. Also bacterial diversity, a qualitative community characteristic, decreased as a response to hydrocarbons. Stabilisation of community evenness, and community structure that reflected clean reference soil, indicated community recovery. If long-term temporal monitoring is difficult and appropriate clean reference soil unavailable, such comparison could possibly be based on DNA-based community analysis, reflecting past+present, and RNA-based community analysis, showing exclusively present conditions. Microbial ecological indicators cannot replace chemical oil analyses, but they are theoretically relevant and operationally practicable additional tools for ecological risk assessment. As such, they can guide ecologically informed and sustainable ecosophisticated management of oil-contaminated lands.

Maaperä on pitkälti uusiutumaton, ihmistoimien uhkaama luonnonvara. Yksi yleisimmistä uhkista on saastuminen, joka alentaa maan kykyä tarjota sekä maa- ja metsätaloustuotteita että ekosysteemipalveluita. Saastuttavista aineista yleisimpiä ovat öljyhiilivedyt, jotka häiritsevät maaeliöstön välttämättömiä toimintoja sekä suoraan että epäsuorasti. Maaperän mikro-organismit bakteerit, arkit ja sienet reagoivan muutoksiin nopeasti ja ovat suorassa kontaktissa maapartikkelien pinnoilla olevien rasvaliukoisten kontaminanttien kanssa. Täten maan mikrobiologisia ominaisuuksia kuvaavat indikaattorit voisivat palvella öljyllä pilaantuneen maan kunnon ja kunnostumisen arvioinnissa. Akuutteja ja kroonisia mikrobiekologisia vasteita öljyyn maassa tutkittiin kahdessa kokeessa. Tavoitteena oli tunnistaa määrällisiä tai laadullisia mikrobimuuttujia, jotka olisivat helposti ja laajasti sovellettavissa öljyllä pilaantuneiden ja kunnostettujen maiden laadun arviointiin. Haasteena laatumittareiden löytämiselle oli, että maamikrobisto tyypillisesti reagoi hiilivetyihin lisäravintona. Yleisesti ehdotetut maaperän laadun mikrobiologiset indikaattorit todettiin epäherkiksi, sillä vielä kohtalaisella saastutustasolla ne antoivat negatiivisen sijasta positiivinen vasteen. Säistymisen myötä öljyn biosaatavuus maassa heikkenee, joten haittavaikutukset vähenevät nopeammin kuin kemiallisilla uutoilla mitattava kokonaismäärä. Missä tahansa maaympäristössä tavattavilla luontaisilla öljynhajottajabakteereilla on erityiskeinoja edistää ravintona palvelevien öljyhiilivetyjen biosaatavuutta. Täten yleisen biosaatavuuden ja toksisuuden pitäisi olla minimaalista, kun öljy ei ole enää hajottajienkaan käytettävissä. Erojen hajottajamikrobien ja kokonaismikrobiston määräsuhteissa havaittiin indikoivan ennustettavasti öljyn vaikutuksia ja biosaatavuutta. Myös maamikrobiston laadulliset ominaisuudet muuttuvat öljyn vaikutuksesta. Saastuminen laski bakteeriyhteisön monimuotoisuutta. Monimuotoisuuden nousu, samoin kuin puhtaan verrokkimaan bakteeriyhteisöä muistuttava yhteisö, indikoivat maamikrobiston toipumista öljykontaminaatiosta. Jos pitkäaikaisseuranta on mahdotonta ja vastaavaa puhdasta verrokkimaata ei ole saatavilla, voisi vertailun mahdollisesti tehdä DNA:n (mennyt+nykyinen yhteisö) sekä RNA:n (vain nykyinen yhteisö) erojen pohjalta. Maamikrobiologiset testit eivät korvaa kemiallisia öljyhiilivety-määrityksiä, mutta ne tarjoavat teoreettisesti relevantin ja käyttökelpoisen lisätyökalun ekologiseen riskinarviointiin. Täten mikrobiekologiset indikaattorit voivat ohjata öljyllä pilaantuneiden maiden ekologisesti tiedostavaa ja kestävää käyttöä.