A review of the use of the basic cation saturation ratio and the "ideal" soil

The use of 'balanced' Ca, Mg, and K ratios, as prescribed by the basic cation saturation ratio (BCSR) concept, is still used by some private soil-testing laboratories for the interpretation of soil analytical data. This review aims to examine the suitability of the BCSR concept as a method for the interpretation of soil analytical data. According to the BCSR concept, maximum plant growth will be achieved only when the soil’s exchangeable Ca, Mg, and K concentrations are approximately 65 % Ca, 10 % Mg, and 5 % K (termed the ‘ideal soil’). This ‘ideal soil’ was originally proposed by Firman Bear and co-workers in New Jersey (USA) during the 1940s as a method of reducing luxury K uptake by alfalfa (Medicago sativa L.). At about the same time, William Albrecht, working in Missouri (USA), concluded through his own investigations that plants require a soil with a high Ca saturation for optimal growth. Whilst it now appears that several of Albrecht’s experiments were fundamentally flawed, the BCSR (‘balanced soil’) concept has been widely promoted, suggesting that the prescribed cationic ratios provide optimum chemical, physical, and biological soil properties. Our examination of data from numerous studies (particularly those of Albrecht and Bear, themselves) would suggest that, within the ranges commonly found in soils, the chemical, physical, and biological fertility of a soil is generally not influenced by the ratios of Ca, Mg, and K. The data do not support the claims of the BCSR, and continued promotion of the BCSR will result in the inefficient use of resources in agriculture and horticulture.

Seedling responses of four Australian tree species to toxic concentrations of manganese in solution culture

Little is known about the responses of Australian plants to excess metal, including Mn. It is important to remedy this lack of information so that knowledgeable decisions can be made about managing Mn contaminated sites where inhabited by Australian vegetation. Acacia holosericea, Melaleuca leucadendra, Eucalyptus crebra and Eucalyptus camaldulensis were grown in dilute solution culture for 10 weeks. The seedlings ( 42 days old) were exposed to six Mn treatments viz., 1, 8, 32, 128, 512 and 2048 muM. The order of tolerance to toxic concentrations of Mn was A. holosericea congruent to = E. crebra < M. leucadendra < E. camaldulensis, the critical external concentrations being approximately 5.1, 5.0, 21 and 330 muM, respectively. The critical tissue Mn concentrations for the youngest fully expanded leaf and total shoots were, respectively, 265 and 215 mug g(-1) DM for A. holosericea, 445 and 495 mug g(-1) DM for M. leucadendra, 495 and 710 mug g(-1) DM for E. crebra and 7230 and 6510 mug g(-1) DM for E. camaldulensis. The high tolerance of E. camaldulensis ( as opposed to the sensitivity of E. crebra) to excess Mn raises concern about fauna feeding on the plant and is consistent with hypotheses suggesting the Eucalyptus subgenus Symphomyrtus is particularly tolerant of stress, including excess Mn. The results from this paper provide the first comprehensive combination of growth responses, critical external concentrations, critical tissue concentrations and plant toxicity symptoms for three important Australian genera, viz., Eucalyptus, Acacia and Melaleuca, for use in the management of Mn toxic sites.

Experiments and modelling of phenanthrene biodegradation in the aqueous phase by a mixed culture

Pollution by polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) is widespread due to unsuitable disposal of industrial waste. They are mostly defined as priority pollutants by environmental protection authorities worldwide. Phenanthrene, a typical PAH, was selected as the target in this paper. The PAH-degrading mixed culture, named ZM, was collected from a petroleum contaminated river bed. This culture was injected into phenanthrene solutions at different concentrations to quantify the biodegradation process. Results show near-complete removal of phenanthrene in three days of biodegradation if the initial phenanthrene concentration is low. When the initial concentration is high, the removal rate is increased but 20%-40% of the phenanthrene remains at the end of the experiment. The biomass shows a peak on the third day due to the combined effects of microbial growth and decay. Another peak is evident for cases with a high initial concentration, possibly due to production of an intermediate metabolite. The pH generally decreased during biodegradation because of the production of organic acid. Two phenomenological models were designed to simulate the phenanthrene biodegradation and biomass growth. A relatively simple model that does not consider the intermediate metabolite and its inhibition of phenanthrene biodegradation cannot fit the observed data. A modified Monod model that considered an intermediate metabolite (organic acid) and its inhibiting reversal effect reasonably depicts the experimental results.

Fitorremediação de solo contaminado com picloram por capim-pé-de-galinha-gigante (Eleusine coracana)

O longo efeito residual do herbicida picloram no solo aumenta o risco de lixiviação e de fitotoxicidade em culturas sucedâneas; sua presença no solo pode ser abreviada com o uso da fitorremediação. O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da densidade populacional de capim-pé-de-galinha-gigante (Eleusine coracana) sobre a fitorremediação de solo contaminado com o herbicida picloram. O experimento foi realizado em casa de vegetação localizada no município de Rio Verde-GO, no período de setembro de 2006 a fevereiro de 2007. Os tratamentos foram compostos pela combinação entre quatro densidades populacionais da espécie vegetal Eleusine coracana (capim-pé-de-galinha-gigante) (0, 7, 14 e 21 plantas por vaso, correspondendo a 0, 172, 344 e 516 plantas m-2, respectivamente) e três doses do picloram (0, 80 e 160 g ha-1 - aplicadas diretamente nos vasos, simulando níveis de contaminação do solo). Após o cultivo da espécie vegetal fitorremediadora no substrato por 100 dias, efetuou-se, no próprio vaso, a semeadura da soja (Glycine max L.), espécie utilizada como bioindicadora da presença do picloram. A espécie Eleusine coracana mostrou ter capacidade de remediar solos contaminados com o herbicida picloram. A partir de 172 plantas m-2, aumentos na densidade populacional da espécie fitorremediadora não proporcionaram redução de carryover do herbicida picloram sobre a cultura da soja semeada em sucessão.

Biorremediação de solos contaminados com produtos petrolíferos

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Influence of mixtures of acenaphthylene and benzo[a] anthracene on their degradation by Pleurotus ostreatus in sandy soil

Purpose Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of organic compounds commonly found as soil contaminants. Fungal degradation is considered as an environmentally friendly and cost-effective approach to remove PAHs from soil. Acenaphthylene (Ace) and Benzo[a]anthracene (BaA) are two PAHs that can coexist in soils; however, the influence of the presence of each other on their biodegradation has not been studied. The biodegradation of Ace and BaA, alone and in mixtures, by the white rot fungus Pleurotus ostreatus was studied in a sandy soil. Materials and methods Experimental microcosms containing soil spiked with different concentrations of Ace and BaAwere inoculated with P. ostreatus. Initial (t 0) and final (after 15 days of incubation) soil concentrations of Ace and BaA were determined after extraction of the PAHs. Results and discussion P. ostreatus was able to degrade 57.7% of the Ace in soil spiked at 30 mg kg−1 dry soil and 65.8% of Ace in soil spiked at 60 mg kg−1 dry soil. The degradation efficiency of BaA by P. ostreatus was 86.7 and 77.4% in soil spiked with Ace at 30 and 60 mg kg−1 dry soil, respectively. After 15 days of incubation, there were no significant differences in Ace concentration between soil spiked with Ace and soil spiked with Ace + BaA, irrespective of the initial soil concentration of both PAHs. There were also no differences in BaA concentration between soil spiked with BaA and soil spiked with BaA + Ace. Conclusions The results indicate that the fungal degradation of Ace and BaA was not influenced by the presence of each other’s PAH in sandy soil. Bioremediation of soils contaminated with Ace and BaA using P. ostreatus is a promising approach to eliminate these PAHs from the environment.

Biocomplementation of SVE to achieve clean-up goals in soils contaminated with toluene and xylene

Soil vapor extraction (SVE) and bioremediation (BR) are two of the most common soil remediation technologies. Their application is widespread; however, both present limitations, namely related to the efficiencies of SVE on organic soils and to the remediation times of some BR processes. This work aimed to study the combination of these two technologies in order to verify the achievement of the legal clean-up goals in soil remediation projects involving seven different simulated soils separately contaminated with toluene and xylene. The remediations consisted of the application of SVE followed by biostimulation. The results show that the combination of these two technologies is effective and manages to achieve the clean-up goals imposed by the Spanish Legislation. Under the experimental conditions used in this work, SVE is sufficient for the remediation of soils, contaminated separately with toluene and xylene, with organic matter contents (OMC) below 4 %. In soils with higher OMC, the use of BR, as a complementary technology, and when the concentration of contaminant in the gas phase of the soil reaches values near 1 mg/L, allows the achievement of the clean-up goals. The OMC was a key parameter because it hindered SVE due to adsorption phenomena but enhanced the BR process because it acted as a microorganism and nutrient source.

Cleanup of industrial effluents containing heavy metals: a new opportunity of valorising the biomass produced by brewing industry

Heavy metal pollution is a matter of concern in industrialised countries. Contrary to organic pollutants, heavy metals are not metabolically degraded. This fact has two main consequences: its bioremediation requires another strategy and heavy metals can be indefinitely recycled. Yeast cells of Saccharomyces cerevisiae are produced at high amounts as a by-product of brewing industry constituting a cheap raw material. In the present work, the possibility of valorising this type of biomass in the bioremediation of real industrial effluents containing heavy metals is reviewed. Given the autoaggregation capacity (flocculation) of brewing yeast cells, a fast and off-cost yeast separation is achieved after the treatment of metal-laden effluent, which reduces the costs associated with the process. This is a critical issue when we are looking for an effective, eco-friendly, and low-cost technology. The possibility of the bioremediation of industrial effluents linked with the selective recovery of metals, in a strategy of simultaneous minimisation of environmental hazard of industrial wastes with financial benefits from reselling or recycling the metals, is discussed.

Anaerobic bacteria: an investigation of metabolic important enzymes: a novel type of oxygen reductase and enzymes of the tetrapyrrole biosynthesis

Desulfovibrio desulfuricans was the first species of a sulphatereducing bacterium to be isolated, in 1895. Since that time, many questions were raised in the scientific community regarding the metabolic and ecological aspects of these bacteria. At present, there is still a myriad of open questions remaining to be answered to enlarge our knowledge of the metabolic pathways operative in these bacteria that have implications in the sulfur cycle, in biocorrosion, namely in sewers and in oil and gas systems, and in bioremediation of several toxic metals. The work presented in this dissertation aimed at contributing with new insights of enzymes involved in two different metabolic systems on Desulfovibrio species, namely enzymes that play a role in the response to oxidative stress and that are involved in the haem biosynthetic pathway.(...)

Screening pentachlorophenol degradation ability by environmental fungal strains belonging to the phyla Ascomycota and Zygomycota

Pentachlorophenol (PCP) bioremediation by the fungal strains amongst the cork- colonising community has not yet been analysed. In this paper, the co- and direct metabolism of PCP by each of the 17 fungal species selected from this community were studied. Using hierarchical data analysis, the isolates were ranked by their PCP bioremediation potential. Fifteen isolates were able to degrade PCP under co-metabolic conditions, and surprisingly Chrysonilia sitophila, Trichoderma longibrachiatum, Mucor plumbeus, Penicillium janczewskii and P. glandicola were able to directly metabolise PCP, leading to its complete depletion from media. PCP degradation intermediates are preliminarily discussed. Data emphasise the signiWcance of these fungi to have an interesting potential to be used in PCP bioremediation processes.

Estudo da Toxicidade do Chumbo na Levedura Saccharomyces cerevisiae

O chumbo é um importante poluente ambiental. A levedura Saccharomyces cerevisiae constitui um modelo útil para o estudo dos efeitos tóxicos do chumbo. O conhecimento dos mecanismos de defesa e resistência à presença de metais pesados poderá ser útil em tecnologias de proteção ambiental, nomeadamente no desenvolvimento de novas metodologias para a biorremediação de metais pesados. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto do Pb na capacidade proliferativa, na integridade membranar e na produção intracelular de espécies reativas de oxigénio (ROS), na estirpe laboratorial da levedura Saccharomyces cerevisiae BY4741 (estirpe selvagem, WT). Foi também estudado o papel das mitocôndrias, como fonte de ROS induzida por Pb, e o envolvimento da H+-ATPase vacuolar (V-ATPase) e de transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC (de ATP-binding cassette) na defesa contra a toxicidade do Pb. O estudo cinético do impacto de duas concentrações de Pb na viabilidade das leveduras (avaliado através de um ensaio clonogénico), na integridade da membrana celular (determinada com iodeto de propídio) e na produção intracelular de ROS (o anião superóxido foi detetado com dihidroetídio e o peróxido de hidrogénio com 2’,7’- diclorodihidrofluoresceína), revelou uma perda progressiva da capacidade proliferativa (53 e 17% de células viáveis, após a exposição durante 3h a 250 ou 1000 µmol/l de chumbo, respetivamente), coincidente com a acumulação intracelular de anião superóxido e de peróxido de hidrogénio, na ausência de perda da integridade membranar. A importância das mitocôndrias na produção de ROS, induzida por chumbo, foi levada a cabo usando um mutante deficiente respiratório desprovido de ADN mitocondrial (ƿ0). Quando comparado com a respetiva estirpe parental, o mutante ƿ0 apresentou uma maior resistência ao Pb e uma menor produção de ROS induzida por Pb. A exposição das células da estirpe BY4741 a 250 e 1000 µmol/l de chumbo originou a formação de 49 e 58% de células deficientes respiratórias, respetivamente. A função da V-ATPase, na desintoxicação de chumbo, foi avaliada utilizando mutantes com uma estrutura vacuolar normal mas defetivos em subunidades da VATPase (vma1Δ, vma2Δ, vma3Δ e vph1Δ). Comparativamente às células da estirpe WT, todos os mutantes testados, sem V-ATPase funcional, apresentaram uma maior suscetibilidade ao Pb. O papel dos transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC, na defesa contra a toxicidade induzida por chumbo, foi levada a cabo utilizando mutantes sem os transportadores Ycf1p ou Vmr1p. Os resultados preliminares mostraram que quando comparadas com as células da estirpe WT, as células das estirpes ycf1Δ ou vmr1Δ não apresentavam uma maior perda da viabilidade. A modificação da morfologia vacuolar, em células expostas a chumbo, foi visualizada utilizando a estirpe Vma2p-GFP. O tratamento das células com Pb originou a fusão dos vacúolos de tamanho médio num único vacúolo de grande dimensão. Em conclusão, os estudos desenvolvidos no presente trabalho, utilizando a estirpe laboratorial BY4741, mostraram que a perda da capacidade proliferativa das leveduras, induzida pelo chumbo, pode ser atribuída à acumulação intracelular do anião superóxido e de peróxido de hidrogénio. As mitocôndrias parecem ser uma das principais fontes de ROS induzido por Pb e, simultaneamente, um dos principais alvos da sua toxicidade. Em S. cerevisiae, o vacúolo desempenha um papel importante na desintoxicação do Pb. A modificação da morfologia vacuolar após exposição ao chumbo poderá ser a consequência da acumulação de Pb no vacúolo. Enquanto os transportadores da superfamília ABC parecem não estar envolvidos na sequestração vacuolar de Pb, é necessária a presença, num estado funcional, da V-ATPase para que ocorra a compartimentação do Pb. Muito provavelmente, a compartimentação do Pb no vacúolo previne a sua acumulação no citosol e o desencadear dos respetivos efeitos tóxicos.

Who is who in anaerobic oil biodegradation?

[Excerpt] Anaerobic bioremediation is an important alternative for the common aerobic cleanup of subsurface petroleum-contaminated soil and water. Microbial communities involved in anaerobic oil biodegradation are scarcely studied, and only few mechanisms of anaerobic hydrocarbons degradation are described. In this work, microbial degradation of aliphatic hydrocarbons (AHC) was studied by using culture-dependent and culture-independent approaches. Hexadecane and hexadecene-degrading microbial communities were enriched under sulfate-reducing and methanogenic conditions. The microorganisms present in the enriched cultures were identified by 16S rRNA gene sequencing. (...)

Persistent organic chemicals of emerging environmental concern

The use of chemicals and chemical derivatives in agriculture and industry has contributed to their accumulation and persistence in the environment. Persistent organic pollutants (POPs) are among the environmental pollutants of most concern since, when improperly handled and disposed, they can persist in the environment, bioaccumulate through the food web, and may create serious public health and environmental problems. Development of an effective degradation process has become an area of intense research. The physical/chemical methods employed, such as volatilization, evaporation, photooxidation, adsorption, or hydrolysis, are not always effective, are very expensive, and, sometimes, lead to generation/disposal of other contaminants. Biodegradation is one of the major mechanisms by which organic contaminants are transformed, immobilized, or mineralized in the environment. A clear understanding of the major processes that affect the interactions between organic contaminants, microorganisms, and environmental matrix is, thus, important for determining persistence of the compounds, for predicting in situ transformation rates, and for developing site remediation. Information on their risks and impact and occurrence in the different environmental matrices is also important, in order to attenuate their impact and apply the appropriate remediation process. This chapter provides information on the fate of pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their impact, bioavailability, and biodegradation. © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014.

Aproximación al diseño de sistemas de bio-reactores para la delignificación de materiales lignocelulósicos y para la decontaminación de suelos y efluentes. Approximation to the design of bio-reactors systems for the delignificación of lignocellulosic materials and for the decontamination of soil and effluents

Los materiales lignocelulósicos residuales de las actividades agroindustriales pueden ser aprovechados como fuente de lignina, hemicelulosa y celulosa. El tratamiento químico del material lignocelulósico se debe enfrentar al hecho de que dicho material es bastante recalcitrante a tal ataque, fundamentalmente debido a la presencia del polímero lignina. Esto se puede lograr también utilizando hongos de la podredumbre blanca de la madera. Estos producen enzimas lignolíticas extracelulares fundamentalmente Lacasa, que oxida la lignina a CO2. Tambien oxida un amplio rango de sustratos ( fenoles, polifenoles, anilinas, aril-diaminas, fenoles metoxi-sustituídos, y otros), lo cual es una buena razón de su atracción para aplicaciones biotecnológicas. La enzima tiene potencial aplicación en procesos tales como en la delignificación de materiales lignocelulósicos y en el bioblanqueado de pulpas para papel, en el tratamiento de aguas residuales de plantas industriales, en la modificación de fibras y decoloración en industrias textiles y de colorantes, en el mejoramiento de alimentos para animales, en la detoxificación de polutantes y en bioremediación de suelos contaminados. También se la ha utilizado en Q.Orgánica para la oxidación de grupos funcionales, en la formación de enlaces carbono- nitrógeno y en la síntesis de productos naturales complejos. HIPOTESIS: Los hongos de podredumbre blanca, y en condiciones óptimas de cultivo producen distintos tipos de enzimas oxidasas, siendo las lacasas las más adecuadas para explorarlas como catalizadores en los siguientes procesos:  Delignificación de residuos de la industria forestal con el fin de aprovechar tales desechos en la alimentación animal.  Decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales. Se realizarán los estudios para el diseño de bio-reactores que permitan responder a las dos cuestiones planteadas en la hipótesis. Para el proceso de delignificación de material lignocelulósico se proponen dos estrategias: 1- tratar el material con el micelio del hongo adecuando la provisión de nutrientes para un desarrollo sostenido y favorecer la liberación de la enzima. 2- Utilizar la enzima lacasa parcialmente purificada acoplada a un sistema mediador para oxidar los compuestos polifenólicos. Para el proceso de decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales se trabajará también en dos frentes: 3) por un lado, se ha descripto que existe una correlación positiva entre la actividad de algunas enzimas presentes en el suelo y la fertilidad. En este sentido se conoce que un sistema enzimático, tentativamente identificado como una lacasa de origen microbiano es responsable de la transformación de compuestos orgánicos en el suelo. La enzima protege al suelo de la acumulación de compuestos orgánicos peligrosos catalizando reacciones que involucran degradación, polimerización e incorporación a complejos del ácido húmico. Se utilizarán suelos incorporados con distintos polutantes(por ej. policlorofenoles ó cloroanilinas.) 4) Se trabajará con efluentes industriales contaminantes (alpechínes y/o el efluente líquido del proceso de desamargado de las aceitunas). The lignocellulosic raw materials of the agroindustrial activities can be taken advantage as source of lignin, hemicellulose and cellulose. The chemical treatment of this material is not easy because the above mentioned material is recalcitrant enough to such an assault, due to the presence of the lignin. This can be achieved also using the white-rot fungi of the wood. It produces extracellular ligninolitic enzymes, fundamentally Laccase, which oxidizes the lignin to CO2. The enzyme has application in such processes as in the delignification of lignocellulosic materials and in the biobleaching of fibers for paper industry, in the treatment of waste water of industrial plants, in the discoloration in textile industries, in the improvement of food for ruminants, in the detoxification of polutants and in bioremediation of contaminated soils. HYPOTHESIS: The white-rot fungi produce different types of enzymes, being the laccases the most adapted to explore them as catalysts in the following processes:  Delignification of residues of the forest industry in order to take advantage of such waste in the animal feed.  Decontamination of soils and / or waste waters. The studies will be conducted for the design of bio reactors that allow to answer to both questions raised in the hypothesis. For the delignification process of lignocellulosic material they propose two strategies: 1- to treat the material with the fungi 2-to use the partially purified enzyme to oxidize the polyphenolic compounds. For the soil and/or waste water decontamination process, we have: 3- Is know that the enzyme protects to the soil of the accumulation of organic dangerous compounds catalyzing reactions that involve degradation, polymerization and incorporation to complexes of the humic acid. There will be use soils incorporated into different pollutants. 4- We will work with waste waters (alpechins or the green olive debittering effluents.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.