Adaptation and diversification of bacterial communities to pesticide contaminants in on-farm biopurification systems via mobile genetic elements

Dealtry Gomes Alcoforado Cavalcanti, Simone

Ein Screening verschiedener Umwelthabitate zeigte, dass u.a. Bioreinigungssysteme, die auf landwirtschaftlichen Höfen für die Reinigung von Pestizid-belasteten Abwässern durch biologischen Abbau und Absorption eingesetzt werden, ‚hot spots‘ von Plasmiden mit katabolischen Genen sind, da IncP-1, IncP-7 und IncP-9 Plasmiden in hoher Abundanz nachgewiesen wurden. Eine Reihe von molekularbiologischen Methoden wurden genutzt, um DNA aus der Gesamtgemeinschaft oder Plasmid-DNA zu analysieren und so die Antwort der Bakteriengemeinschaften auf Pestizide zu charakterisieren und dahinterzukommen, wie sich das Ausmaß der Verunreinigung auf die Verbreitung und Diversität mobiler genetischer Elemente (MGE) wie Plasmide auswirkt. Darüber hinaus wurden erstmalig während einer vollen landwirtschaftlichen Saison die Auswirkungen verschiedener Pestizide auf die Verbreitung und Diversität von MGE und Veränderungen der Bakteriengemeinschaften in einem farmeigenen Bioreinigungssystem untersucht und interessante Ergebnisse gewonnen. Mit Hilfe der exogenen Plasmid-Isolierung, einer kultivierungsunabhängigen Technik, wurden mehrere IncP-1 und IncP-9 Plasmide aus dem Bioreinigungssystem in Pseudomonas putida-Rezeptor-Zellen überführt. Die auf dem 16S rRNA-Gen basierenden Analysen machten deutlich, dass bestimmte Bakteriengruppen im Bioreinigungssystem auf eine Verunreinigung mit Pestiziden reagieren, so nahm die Abundanz der Betaproteobacteria und der Gammaproteobacteria zu, während andere Gruppen, z.B. Firmicutes und Bacteriodetes, in einem derartig verunreinigten Umfeld einen selektiven Nachteil hatten. Durch den genutzten polyphasischen Ansatz konnte in dieser Arbeit die Dynamik und Plastizität von bakteriellen Gemeinschaften in Bioreinigungssystem bei Pestizid-Exposition gezeigt werden und mögliche am Abbau beteiligte Taxa und Plasmide identifiziert werden.

A screening of different environments revealed that biopurification systems (BPS), used for the treatment of pesticide contaminated waste water at farms through biodegradation and sorption processes, were "hot spots" of plasmids potentially carrying catabolic genes such as as IncP-1, IncP-7 and IncP-9 plasmids. For the first time the effects of different pesticides on the abundance and diversity of MGEs and shifts of bacterial communities in an on-farm BPS were investigated over an entire agricultural season. Through exogenous plasmid isolation, a cultivation-independent technique, several of IncP-1 and IncP-9 plasmids were captured from BPS into Pseudomonas putida recipient cells, allowing a deeper plasmid analysis by sequencing. The 16S rRNA gene-based analyses revealed that particular bacterial groups in BPS are responding to pesticides contamination, such as Betaproteobacteria which increased in abundance, while other groups such as Firmicutes and Bacteriodetes had a selective disadvantage in such a polluted environment. Through the methodologies applied in the present work, the dynamics and plasticity of bacterial communities of BPS in response to pesticide exposure was revealed and taxa and plasmids potentially involved in the biodegradation process were identified.

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Dealtry Gomes Alcoforado Cavalcanti, Simone: Adaptation and diversification of bacterial communities to pesticide contaminants in on-farm biopurification systems via mobile genetic elements. 2013.

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