Impacts of chemical dispersants on oil-degrading microorganisms

Abstract

Accidental crude oil spills can cause substantial environmental damage in marine ecosystems. During the emergency spill response, chemical dispersants (= solvent-surfactant mixtures) are often applied with the aim of reducing ecological and economic damage due to floating and beached oil. However, the use of chemical dispersants remains controversial due to their inherent toxicity potential and uncertainties about their ecological effects, including their influence on affected seawater microbial communities and native oil/hydrocarbon-degrading microorganisms. The scientific literature on this topic is characterized by contradictory findings and a lack of data on the underlying mechanisms of observed dispersant effects on oil-degrading bacteria. Therefore, this work aimed to determine and elucidate the impacts of chemical dispersants on oil-degrading microorganisms by examining their effects on different ecological levels. First, the response of environmental seawater microbial communities from the Arctic Ocean and the North Sea to chemical dispersant exposure was determined by performing laboratory seawater microcosm experiments that simulated oil spill conditions and monitored oil biodegradation potential, as well as microbial community dynamics. These studies showed that while biodegradation of several aliphatic and aromatic hydrocarbons was not substantially affected by chemical dispersant addition, lower cell numbers and the enrichment of a distinct community of hydrocarbon- and/or dispersant-degrading bacterial taxa were observed. Additionally, persistent organic compounds (likely dispersant-derived) were observed in dispersant-amended microcosms and the application of inorganic nutrients (i.e. biostimulation) was identified as a promising alternative approach to dispersant application in potential future Arctic Ocean oil spills. Next, the model organism Marinobacter sp. TT1 was investigated in order to identify the effects of chemical dispersant exposure on growth, alkane biodegradation activity and cellular processes of this marine hydrocarbon degrader. The growth and n hexadecane biodegradation efficiency of previously starved cells was significantly inhibited when exposed to the dispersant, revealing that substrate limitation, resembling oligotrophic open ocean conditions, can affect the microbial response to dispersants. Comparative proteomic analyses indicated that the chemical dispersant Corexit EC9500 affected hydrocarbon metabolism, chemotactic motility, and biofilm formation, while also inducing solvent-stress response mechanisms in Marinobacter sp. TT1. For the first time, the proteins associated with a proposed microbial metabolism of Corexit components as carbon substrates were identified, revealing that strain TT1 likely metabolized different components of Corexit EC 9500. Furthermore, the first evidence of alginate biosynthesis associated with the metabolism of n-hexadecane in a member of the Marinobacter genus was also documented. Taken together, the obtained findings significantly deepen our understanding of how and why chemical dispersants impact oil-degrading microorganisms and should be taken into consideration during future oil spill response planning.

Die ökologischen Folgen von Erdöleinträgen in die Weltmeere sind oft verheerend. Zu den möglichen Bekämpfungsmaßnahmen gehört auch der Einsatz von chemischen Dispersionsmitteln (Mischungen aus Tensiden und Lösungsmitteln), die Ölteppiche und Ölansammlungen an den Küsten reduzieren sollen. Allerdings ist ihr Einsatz umstritten, da diese Mittel selbst toxisch sein können und ihre ökologischen Effekte noch nicht komplett erforscht sind. Besonders große Wissenslücken existieren bezüglich ihrer Effekte auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Meerwasser und die Öl abbauenden Bakterien. Die wissenschaftliche Literatur zu diesem Thema beinhaltet viele (größtenteils unerklärte) widersprüchliche Ergebnisse und kaum Daten dazu, welche zellulären Mechanismen den beobachteten Effekten von chemischen Dispersionsmitteln auf Kohlenwasserstoff abbauende Bakterien zu Grunde liegen. Deshalb war das Ziel dieser Doktorarbeit, die Auswirkungen von chemischen Dispersionsmitteln auf Öl abbauende Mikroorganismen zu ermitteln und auf verschiedenen ökologischen Ebenen zu untersuchen. Zunächst wurde die Reaktion von mikrobiellen Meerwassergemeinschaften aus dem Arktischen Ozean und der Nordsee auf den Kontakt mit einem chemischen Dispersionsmittel (Corexit EC9500A) während eines simulierten in Mikrokosmenexperimenten untersucht. Während der Abbau von Alkanen und kleinen aromatischen Kohlenwasserstoffen nicht wirklich von den chemischen Dispersionsmitteln beeinträchtigt wurde, wurden dennoch niedrigere Zellzahlen und die Entstehung einer anderen mikrobiellen Gemeinschaft aus Kohlenwasserstoff und/oder Dispersionsmittel abbauenden Bakterien beobachtet. Zudem wurden persistente organische Stoffe (vermutlich Lösungsmittel aus dem Dispersionsmitel) in Mikrokosmen mit zugegebenem Dispersionsmittel detektiert und die Zugabe von Nährstoffen (Biostimulation) als ein vielversprechender alternativer Ansatz im Kontext von potentiellen künftigen Ölunfällen im Arktischen Ozean identifiziert. Anschließend wurde der marine Modellorganismus Marinobacter sp. TT1 untersucht, um die Auswirkungen von chemischen Dispersionsmitteln auf das Wachstum, den Alkanabbau und verschiedene zelluläre Prozesse dieses Organismus zu bestimmen. Es zeigte sich, dass das Wachstum und der Alkanabbau einer vorher hungernden Kultur von Marinobacter sp. TT1 nach Zugabe von Corexit signifikant gehemmt wurden. Diese Ergebnisse demontrierten zum ersten Mal, dass Substratlimitierung, welche die Bedingungen im oligotrophen offenen Ozean widerspiegelt, die Reaktion von Kohlenwasserstoff abbauenden Bakterien auf Corexit beeinflussen kann. Eine vergleichende Proteomanalyse des Modellorganismus unter verschiedenen Kultur- und Substratbedingungen ergab außerdem, dass durch Corexit verursachte Änderungen im Proteom vor allem mit dem Metabolismus von Kohlenwasserstoffen, chemotaktischer Motilität, der Bildung von Aggregaten/Biofilmen und Toleranzmechanismen gegenüber Lösungsmitteln in Verbindung standen. Weiterhin konnten zum ersten Mal Proteine identifiziert werden, welche mit einem vermuteten mikrobiellen Abbau von Corexitbestandteilen zusammenhängen und die ersten Hinweise auf Alginatbiosynthese in einem Marinobacter spp. im Zusammenhang des Hexadekanabbaus dokumentiert werden. Zusammen betrachtet vertiefen die präsentierten Erkenntnisse unser Verständnis davon wie und warum chemische Dispersionsmittel Auswirkungen auf Öl abbauende Mikroorganismen haben. Die Anwendung von Dispersionsmitteln im Meer hat vermutlich in den meisten Fällen ausgeprägte Effekte auf marine Mikrobengemeinschaften und verändert deren Zusammensetzung, indem bestimmte Kohlenwasserstoff oder Dispersionsmittel abbauende mikrobielle Gruppen bevorzugt angereichert und andere Gruppen gehemmt werden. Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit mehrere mögliche Erklärungen für die inkonsistente Literaturlage zur Frage der Auswirkungen von chemischen Dispersionsmitteln auf Öl abbauende Mikroorganismen gefunden. Die in dieser Doktorarbeit erzielten neuen Einblicke könnten weitreichende ökologische Konsequenzen haben und sollten während zukünftiger Planung von Ölunfall-Bekämpfungsmaßnahmen berücksichtigt werden.