Oil hydrocarbon-bacteria interactions in coastal environments

Abstract

The ability of microorganisms to use oil hydrocarbons as a source of carbon and energy is crucial for environmental oil detoxification. However, there is still a lack of knowledge on fundamental aspects of this process on specific habitats and under different climate scenarios. In the first phase of this work, the culturable fraction of the oil hydrocarbon (OH) degrading bacteria from the sea surface microlayer (SML) of the estuarine system Ria de Aveiro was characterized. In the second phase, the impact of oil contamination on the active bacterial community was studied under climate change scenarios. Pseudomonas emerged as the prevailing genera among OH degrading bacteria in the SML. Moreover, culture-independent methods revealed that the relative abundance and diversity of Gammaproteobacteria, in which Pseudomonas is included, varies along an estuarine gradient of contamination. In order to access the impact of oil contamination on microbial communities under climate change scenarios, an experimental life support system for microcosm experiments (ELLS) was developed and validated for simulation of climate change effects on microbial communities. With the ELSS it is possible to simulate, in controlled conditions, fundamental parameters of the dynamics of coastal and estuarine systems while maintaining community structure in terms of the abundance of the most relevant members of the indigenous bacterial community. A microcosm experiment in which the independent and combined impact of ultraviolet radiation, ocean acidification and oil contamination on microbial communities was conducted. The impact on bacterial communities was accessed with a 16S RNA (cDNA) based barcode pyrosequencing approach. There was a drastic decrease of Desulfobacterales relative abundance after oil contamination under the reduced pH value estimated for 2100, when compared to present values. Since members of this order are known OH degraders, such a significant decrease may have consequences on OH detoxification of contaminated environments under the pH levels of the ocean expected for the future. Metagenome predictions based on the 16S RNA database indicated that several degradation pathways of OH could be affected under oil contamination and reduced water pH. Taken together, the results from this work bring new information on the dynamics of OH degrading bacteria in coastal and estuarine environments under present and future climate scenarios.

A capacidade dos microrganismos utilizarem hidrocarbonetos de petróleo como fonte de carbono e energia é crucial na reciclagem destes compostos nos meios marinhos. Apesar da importância deste processo muitos dos aspectos da degradação microbiana de hidrocarbonetos em alguns habitats específicos e na perspetiva de diferentes cenários de alterações climáticas são ainda desconhecidos. Na primeira fase deste trabalho, a fracção cultivável das bactérias com capacidade para degradar hidrocarbonetos de petróleo na microcamada superficial marinha de um sistema estuarino (Ria de Aveiro) foi caracterizada. Na segunda fase, o impacto da contaminação por petróleo nas comunidades microbianas em diferentes cenários de alterações climáticas foi estudado. O género Pseudomonas revelou ser preponderante na fracção cultivável das bactérias degradadoras de hidrocarbonetos na microcamada superficial marinha. Além disso, os métodos independentes de cultivo revelaram que a abundancia relativa e diversidade da classe Gammaproteobacteria, na qual se inclui o género Pseudomonas, é diferente ao longo de um gradiente estuarino de contaminação. De forma a caracterizar o impacto da contaminação por petróleo nas comunidades microbianas sob diferentes cenários de alterações climáticas, um sistema de suporte de vida (ELSS) foi construído com o objectivo de realizar experiências de microcosmo. O ELSS permite simular e controlar aspectos fundamentais da dinâmica de sistemas costeiros e estuarinos preservando os elementos mais representativos da comunidade bacteriana original. Com este sistema foi possível realizar uma experiência onde o impacto independente e combinado da radiação ultravioleta, acidificação da água e contaminação por petróleo sobre comunidades bacterianas foi determinado. O impacto na estrutura das comunidades foi avaliado através de pirosequenciação do 16S RNA (cDNA). A ordem Desulfobacterales sofreu uma redução de abundância relativa muito significativa em resposta à contaminação por petróleo para uma redução de pH estimada para 2100. Uma vez que os membros desta ordem desempenham um papel crucial na degradação de hidrocarbonetos de petróleo, a reciclagem destes compostos em ambientes costeiros e estuarinos pode ser alterada em cenários ambientais futuros. A previsão do metagenoma a partir da base de dados do 16S RNA indica que várias vias de degradação de hidrocarbonetos de petróleo podem ser afectadas. Os resultados obtidos neste trabalho acescentam novas pistas sobre o papel das bactérias degradadoras de hidrocarbonetos em ambientes costeiros e estuarinos nos contextos ambientais actuais e futuro.