Dealogenazione riduttiva dei policlorobifenili (PCB) in sedimenti anaerobici marini della laguna di Venezia: arricchimento e identificazione dei microrganismi dealogenanti

I policlorobifenili (PCB) sono inquinanti tossici e fortemente recalcitranti che contaminano suoli e sedimenti di acqua dolce e marini. Le tecnologie attualmente impiegate per la loro rimozione (dragaggio e trattamento chimoco-fisico o conferimento in discarica) sono molto costose, poco efficaci o ad alto impatto ambientale. L’individuazione di strategie alternative, di natura biologica, consentirebbe lo sviluppo di un processo alternativo più sostenibile. Nel processo di declorurazione riduttiva i congeneri di PCB a più alto grado di clorurazione, che sono i più tossici, recalcitranti e maggiormente tendenti al bioaccumulo, vengono utilizzati da alcuni microrganismi anaerobici come accettori finali di elettroni nella catena respiratoria e bioconvertiti in congeneri a minor grado di clorurazione, meno pericolosi, che possono essere mineralizzati da parte di batteri aerobi. La declorurazione riduttiva dei PCB è stata spesso studiata in colture anaerobiche di arricchimento in terreno minerale ottenute a partire da sedimenti di acqua dolce; questi studi hanno permesso di dimostrare che batteri del phylum dei Chloroflexi e appartenenti al genere Dehalococcoides o filogeneticamente facenti parte del gruppo dei Dehalococcoides-like sono i decloruranti. Sono tuttavia scarse le informazioni riguardanti l'occorrenza della declorurazione dei PCB in ambienti marini, nei quali l'alta salinità e concentrazione di solfati influenzano diversamente l'evoluzione delle popolazioni microbiche. In sedimenti contaminati della laguna di Venezia è stata osservata declorurazione sia dei PCB preesistenti che di congeneri esogeni; questi studi hanno permesso l'ottenimento di colture di arricchimento fortemente attive nei confronti di 5 congeneri di PCB coplanari. In questa tesi, a partire dalle colture capaci di declorurare i PCB coplanari, sono stati allestiti nuovi passaggi di arricchimento su Aroclor®1254, una miscela di PCB più complessa e che meglio rappresenta la contaminazione ambientale. Le colture sono state allestite come microcosmi anaerobici in fase slurry, preparati risospendendo il sedimento nell'acqua superficiale, ricreando in tal modo in laboratorio le stesse condizioni biogeochimiche presenti in situ; gli slurry sterili sono stati inoculati per avviare le colture. Per favorire la crescita dei microrganismi decloruranti e stimolare così la decloruraazione dei PCB sono stati aggiunti inibitori selettivi di metanogeni (Bromoetansulfonato o BES) e solfato-riduttori (molibdato), sono state fornite fonti di carbonio ed energia (eD), quali acidi grassi a corta catena e idrogeno, utilizzate di batteri decloruranti noti, e per semplificare la comunità microbica sono stati aggiunti antibiotici cui batteri decloruranti del genere Dehalococcoides sono resistenti. Con questo approccio sono stati allestiti passaggi di arricchimento successivi e le popolazioni microbiche delle colture sono state caratterizzate con analisi molecolari di fingerprinting (DGGE). Fin dal primo passaggio di arricchimento nei microcosmi non ammendati ha avuto luogo un'estesa declorurazione dell'Aroclor®1254; nei successivi passaggi si è notato un incremento della velocità del processo e la scomparsa della fase di latenza, mentre la stessa stereoselettività è stata mantenuta a riprova dell’arricchimento degli stessi microrganismi decloruranti. Le velocità di declorurazione ottenute sono molto alte se confrontate con quelle osservate in colture anaerobiche addizionate della stessa miscela descritte in letteratura. L'aggiunta di BES o molibdato ha bloccato la declorurazione dei PCB ma in presenza di BES è stata riscontrata attività dealogenante nei confronti di questa molecola. La supplementazione di fonti di energia e di carbonio ha stimolato la metanogenesi e i processi fermentativi ma non ha avuto effetti sulla declorurazione. Ampicillina e vancomicina hanno incrementato la velocità di declorurazione quando aggiunte singolarmente, insieme o in combinazione con eD. E' stato però anche dimostrato che la declorurazione dei PCB è indipendente sia dalla metanogenesi che dalla solfato-riduzione. Queste attività respiratorie hanno avuto velocità ed estensioni diverse in presenza della medesima attività declorurante; in particolare la metanogenesi è stata rilevata solo in dipendenza dall’aggiunta di eD alle colture e la solfato-riduzione è stata inibita dall’ampicillina in microcosmi nei quali un’estesa declorurazione dei PCB è stata osservata. La caratterizzazione delle popolazioni microbiche, condotte mediante analisi molecolari di fingerprinting (DGGE) hanno permesso di descrivere le popolazioni batteriche delle diverse colture come complesse comunità microbiche e di rilevare in tutte le colture decloruranti la presenza di una banda che l’analisi filogenetica ha ascritto al batterio m-1, un noto batterio declorurante in grado di dealogenare un congenere di PCB in colture di arricchimento ottenute da sedimenti marini appartenente al gruppo dei Dehalococcoides-like. Per verificare se la crescita di questo microrganismo sia legata alla presenza dei PCB, l'ultimo passaggio di arricchimento ha previsto l’allestimento di microcosmi addizionati di Aroclor®1254 e altri analoghi privi di PCB. Il batterio m-1 è stato rilevato in tutti i microcosmi addizionati di PCB ma non è mai stato rilevato in quelli in cui i PCB non erano presenti; la presenza di nessun altro batterio né alcun archebatterio è subordinata all’aggiunta dei PCB. E in questo modo stato dimostrato che la presenza di m-1 è dipendente dai PCB e si ritiene quindi che m-1 sia il declorurante in grado di crescere utilizzando i PCB come accettori di elettroni nella catena respiratoria anche in condizioni biogeochimiche tipiche degli habitat marini. In tutte le colture dell'ultimo passaggio di arricchimento è stata anche condotta una reazione di PCR mirata alla rilevazione di geni per dealogenasi riduttive, l’enzima chiave coinvolto nei processi di dealogenazione. E’ stato ottenuto un amplicone di lughezza analoga a quelle di tutte le dealogenasi note in tutte le colture decloruranti ma un tale amplificato non è mai stato ottenuto da colture non addizionate di PCB. La dealogenasi ha lo stesso comportamento di m-1, essendo stata trovata come questo sempre e solo in presenza di PCB e di declorurazione riduttiva. La sequenza di questa dealogenasi è diversa da tutte quelle note sia in termini di sequenza nucleotidica che aminoacidica, pur presentando due ORF con le stesse caratteristiche e domini presenti nelle dealogenasi note. Poiché la presenza della dealogenasi rilevata nelle colture dipende esclusivamente dall’aggiunta di PCB e dall’osservazione della declorurazione riduttiva e considerato che gran parte delle differenze genetiche è concentrata nella parte di sequenza che si pensa determini la specificità di substrato, si ritiene che la dealogenasi identificata sia specifica per i PCB. La ricerca è stata condotta in microcosmi che hanno ricreato fedelmente le condizioni biogeochimiche presenti in situ e ha quindi permesso di rendere conto del reale potenziale declorurante della microflora indigena dei sedimenti della laguna di Venezia. Le analisi molecolari condotte hanno permesso di identificare per la prima volta un batterio responsabile della declorurazione dei PCB in sedimenti marini (il batterio m-1) e una nuova dealogenasi specifica per PCB. L'identificazione del microrganismo declorurante permette di aprire la strada allo sviluppo di tecnologie di bioremediation mirata e il gene della dealogenasi potrà essere utilizzato come marker molecolare per determinare il reale potenziale di declorurazione di miscele complesse di PCB in sedimenti marini.

Interactions between the gut microbiota, short-chain fatty acids and the immune system in pediatric patients undergoing hematopoietic stem cell transplantation

The gut microbiota (GM) is essential for human health and contributes to several diseases; indeed it can be considered an extension of the self and, together with the genetic makeup, determines the physiology of an organism. In this thesis has been studied the peripheral immune system reconstitution in pediatric patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (aHSCT) in the early phase; in parallel, have been also explored the gut microbiota variations as one of the of primary factors in governing the fate of the immunological recovery, predisposing or protecting from complications such as the onset of acute graft-versus-host disease (GvHD). Has been demonstrated, to our knowledge for the first time, that aHSCT in pediatric patients is associated to a profound modification of the GM ecosystem with a disruption of its mutualistic asset. aGvHD and non-aGvHD subjects showed differences in the process of GM recovery, in members abundance of the phylum Bacteroidetes, and in propionate fecal concentration; the latter are higher in the pre-HSCT composition of non-GvHD subjects than GvHD ones. Short-chain fatty acids (SCFAs), such as acetate, butyrate and propionate, are end-products of microbial fermentation of macronutrients and distribute systemically from the gut to blood. For this reason, has been studied their effect in vitro on human DCs, the key regulators of our immune system and the main player of aGvHD onset. Has been observed that propionate and, particularly, butyrate show a strong and direct immunomodulatory activity on DCs reducing inflammatory markers such as chemokines and interleukins. This study, with the needed caution, suggests that the pre-existing GM structure can be protective against aGvHD onset, exerting its protective role through SCFAs. They, indeed, may regulate cell traffic within secondary lymphoid tissues, influence T cell development during antigen recognition, and, thus, directly shape the immune system.

Bioremediation of PCB-contaminated marine sediments: From identification of indigenous dehalorespirers to enhancement of microbial reductive dechlorination

Marine sediments are the main accumulation reservoir of organic recalcitrant pollutants such as polychlorinated biphenyls (PCBs). In the anoxic conditions typical of these sediments, anaerobic bacteria of the phylum Chloroflexi are able to attack these compounds in a process called microbial reductive dechlorination. Such activity and members of this phylum were detected in PCB-impacted sediments of the Venice Lagoon. The aim of this work was to investigate microbial reductive dechlorination and design bioremediation approaches for marine sediments of the area. Three out of six sediment cultures from different sampling areas exhibited dechlorination activities in the same conditions of the site and two phylotypes (VLD-1 and VLD-2) were detected and correlated to this metabolism. Biostimulation was tested on enriched dechlorinating sediment cultures from the same site using five different electron donors, of which lactate was the best biostimulating agent; complementation of microbial and chemical dechlorination catalyzed by biogenic zerovalent Pd nanoparticles was not effective due to sulfide poisoning of the catalyst. A new biosurfactant-producing strain of Shewanella frigidimarina was concomitantly obtained from hydrocarbon-degrading marine cultures and selected because of the low toxicity of its product. All these findings were then exploited to develop bioremediation lab-scale tests in shaken reactors and static microcosms on real sediments and water of the Venice lagoon, testing i) a bioaugmentation approach, with a selected enriched sediment culture from the same area, ii) a biostimulation approach with lactate as electron donor, iii) a bioavailability enhancement with the supplementation of the newly-discovered biosurfactant, and iv) all possible combinations of the afore-mentioned approaches. The best bioremediation approach resulted to be a combination of bioaugmentation and bioremediation and it could be a starting point to design bioremediation process for actual marine sediments of the Venice Lagoon area.