Modified zeolite-supported biofilm in service of pesticide biodegradation

Autor: Karine Michel, Catherine Joulian, Nataliia Gorodylova, Fabien Giovannelli, Alain Seron, Catherine Garreau, Fabian Delorme, Sophie Bresch, Caroline Michel
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Environmental science and pollution research international. 28(33)
ISSN: 1614-7499
Popis: The development of biofilms on modified natural zeolites was investigated with purpose to obtain biocomposites with biodegradation activity towards pesticides MCPA (2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid) and glyphosate (N-(phosphonomethyl)glycine) for potential application in bioaugmentation of polluted agricultural soils. Microbial communities were selected from agricultural pesticide-contaminated soil/water samples and enriched on the basis of their ability to biodegrade the pesticides. In order to enhance affinity of microbial communities to the support material, the natural mineral zeolite was modified by nontoxic environmentally friendly cations (Li+, Na+, K+, NH4+, H+, Mg2+, Ca2+, Fe3+) by methods preserving its structure and characterised using powder XRD, surface area measurement and chemical composition analysis. Kinetics of pesticide degradation by the biocomposites was studied in liquid media. Results showed that according to zeolite modifications, the microbial activity and biodiversity changed. The best biodegradation rate of MCPA and glyphosate reached 0.12-0.13 mg/h with half-life of 16-18 h, which is considerably quicker than observed in natural environment. However, in some cases, biodegradation activity towards pesticides was lost which was connected to unfavourable zeolite modification and accumulation of toxic metabolites. High-throughput sequencing on the 16S rRNA genes of the biofilm communities highlighted the selection of bacteria genera known to metabolise MCPA (Aminobacter, Cupriavidus, Novosphingobium, Pseudomonas, Rhodococcus, Sphingobium and Sphingopyxis) and glyphosate (Pseudomonas). Altogether, results suggested that zeolites do not only have a passive role of biofilm support but also have protective and nutrient-supportive functions that consequently increase biodiversity of the pesticide degraders growing in the biofilm and influence the pesticide biodegradation rate. Byl zkoumán vývoj biofilmů na modifikovaných přírodních zeolitech za účelem získání biokompozitů s biodegradační aktivitou vůči pesticidům MCPA (2-methyl-4-chlorofenoxyoctová kyselina) a glyfosátu (N-(fosfonomethyl)glycin) pro potenciální aplikaci v bioaugmentaci znečištěných zemědělských půd. Mikrobiální společenstva byla vybrána ze vzorků půdy/vody kontaminované zemědělskými pesticidy a obohacena na základě jejich schopnosti biodegradovat pesticidy. Pro zvýšení afinity mikrobiálních společenstev k nosnému materiálu byl přírodní minerální zeolit modifikován netoxickými ekologicky šetrnými kationty (Li+, Na+, K+, NH4+, H+, Mg2+, Ca2+, Fe3+) metodami zachovávajícími jeho strukturu a charakterizován pomocí práškové XRD analýzy, měření měrného povrchu a analýzy chemického složení. Kinetika degradace pesticidů biokompozity byla studována v kapalných médiích. Výsledky ukázaly, že podle modifikací zeolitu se měnila i mikrobiální aktivita a biodiverzita. Nejlepší biodegradační rychlost MCPA a glyfosátu dosáhla 0,12-0,13 mg/h s poločasem rozpadu 16-18 h, což je podstatně rychleji, než je pozorováno v přirozeném prostředí. V některých případech však došlo ke ztrátě biodegradační aktivity vůči pesticidům, což souviselo s nepříznivou modifikací zeolitu a akumulací toxických metabolitů. Vysoce výkonné sekvenování na genech 16S rRNA biofilmových komunit zdůraznilo výběr rodů bakterií, o kterých je známo, že metabolizují MCPA (Aminobacter, Cupriavidus, Novosphingobium, Pseudomonas, Rhodococcus, Sphingobium a Sphingopyxis) a glyfosát (Pseudomonasate). Celkově výsledky naznačují, že zeolit nemá pouze pasivní roli podpory biofilmu, ale má také ochranné a nutričně podpůrné funkce, které následně zvyšují biologickou rozmanitost degradátorů pesticidů rostoucích v biofilmu a ovlivňují rychlost biodegradace pesticidů.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: