A warming climate and improved technology have allowed northern countries to more thoroughly explore and exploit Arctic resources. This increased activity has led to an elevated risk of petroleum contamination, and consequently, there is a need to develop strategies to effectively and efficiently degrade these contaminants on site. While many Arctic soil microorganisms are known to naturally metabolize petroleum hydrocarbons in contaminated sites, a process known as bioremediation, treatments directed at stimulating the hydrocarbon-degrading activity of these microbes (e.g. nutrient amendments) have varied in effectiveness.The objective of this study was to determine whether microbial taxa respond equally to disturbances of the soil environment by hydrocarbon contaminants and nutrient amendments, and whether the most efficient hydrocarbon degraders are naturally stimulated. To determine whether the bacteria inhabiting contaminated Arctic soils assimilate added nitrogen equally, a novel 15N-stable isotope probing approach was developed. After a month of in situ incubation, it was determined that many hydrocarbon-degrading bacteria had incorporated the added nitrogen, but to varying extents. The Alphaproteobacteria most effectively used the added nitrogen, as determined by both 16S rRNA and alkB gene enrichment, and this was noteworthy given that they were not expected to be the most effective hydrocarbon-degrading group.To assess whether the relative abundance of bacterial taxa in hydrocarbon-contaminated soils was determined by soil characteristics as opposed to hydrocarbon-degrading ability, 18 soils from across the Arctic were collected and treated with diesel and monoammonium phosphate. Bacterial diversity and community composition were determined through 16S rRNA gene sequencing on the Ion Torrent platform, while hydrocarbon degradation was measured using gas chromatography. It was found that Actinobacteria dominated soils with low organic matter, while Proteobacteria dominated those with high organic matter. In addition, the extent of bacterial diversity and the relative abundance of specific assemblages of Betaproteobacteria in uncontaminated soils were predictive of hydrocarbon degradation with and without nutrient amendments, respectively. Relative abundance of Betaproteobacteria was associated with efficient hydrocarbon degradation in the presence of added nutrients, suggesting that this may be an important group to target.Finally, to determine whether modifying the microbial community within a given soil would impact rates of hydrocarbon degradation, gentamicin and vancomycin were used to inhibit specific portions of the bacterial community. Bacterial 16S rRNA gene diversity and community composition were again determined using the Ion Torrent platform, qPCR was used to quantify bacterial and fungal populations within each treatment, and GC analysis was used to determine hydrocarbon degradation. Bacterial 16S rRNA gene abundance declined in soils treated with gentamicin, but diesel degradation was highest in the presence of both gentamicin and vancomycin. Bacterial community composition shifted under all treatments, and Xanthomonadaceae (Gammaproteobacteria) and Micrococcaceae (Actinobacteria) dominated soils treated with both antibiotics. Diesel degradation was much less effective when nutrients were also added to soils treated with gentamicin and vancomycin, possibly due to competition from a larger fungal population.Overall, these results suggest that more effective in situ treatments of hydrocarbon-contaminated Arctic soils are possible through selective targeting of efficient hydrocarbon-degrading consortia. Future research should aim to understand which soil microorganisms most quickly degrade various contaminants in situ, as well as the main biotic and abiotic factors that limit their activity. / Le réchauffement climatique et l'amélioration de la technologie ont permis aux pays situés au nord du globe d'exploiter les ressources de l'Arctique comme jamais auparavant. L'accroissement de l'activité humaine augmente le risque de contamination par des produits pétroliers, d'où la nécessité de développer des stratégies afin d'être en mesure de dégrader ces contaminants de façon rapide et efficace. Bien que plusieurs des microorganismes qui peuplent le sol de l'Arctique possèdent la capacité de métaboliser des hydrocarbures, les traitements utilisés afin de stimuler l'activité de ces bactéries (ex. ajouts de nutriments) n'ont pas tous été aussi efficaces que souhaité.L'objectif de cette étude était de déterminer si les microorganismes réagissent de la même façon aux perturbations causées par les hydrocarbures et les ajouts de nutriments, et si les espèces efficaces dans la dégradation des hydrocarbures sont naturellement stimulées. Afin de déterminer si le taux d'assimilation de l'azote est le même pour toutes les bactéries qui vivent dans les sols contaminés de l'Arctique, une nouvelle technique de sondage à l'aide de l'isotope stable 15N a été développée. Après un mois d'incubation, nous avons déterminé que plusieurs groupes de bactéries ont incorporé l'azote, mais à des degrés divers. Les Alphaproteobacteria ont été les plus efficaces dans l'utilisation de l'azote, tel que démontré par l'enrichissement des gènes de l'ARNr 16S et alkB, ce qui constitue un fait intéressant étant donné qu'elles n'étaient pas considérées comme le groupe de bactéries le plus efficace dans la dégradation des hydrocarbures.Afin d'évaluer si l'abondance des espèces bactériennes est influencée plutôt par les caractéristiques du sol que par leurs capacités de dégradation, 18 sols prélevés dans différentes régions de l'Arctique ont été traités avec du diésel et des nutriments. La diversité et la composition des communautés microbiennes ont été déterminées par séquençage sur la plateforme Ion Torrent, alors que la chromatographie en phase gazeuse a permis de mesurer la dégradation des hydrocarbures. Le groupe des Actinobacteria prédominait dans les sols à faible teneur en substances organiques (<10%), tandis que le groupe des Proteobacteria prédominait dans les sols à haute teneur en substances organiques. De plus, la diversité bactérienne et l'abondance relative de certains groupes de Betaproteobacteria constituent un facteur prédictif de la dégradation efficace des hydrocarbures. L'abondance relative de Betaproteobacteria est associée à une dégradation efficace d'hydrocarbures en présence de nutriments, ce qui suggère qu'il s'agirait d'un bon groupe à cibler durant la biorémédiation.Enfin, dans le but de déterminer si une modification de la communauté microbienne influence la dégradation, des fractions de la communauté microbienne ont été inhibées à l'aide de la gentamicine et de la vancomycine. La dégradation du diesel donnait les meilleurs résultats en présence à la fois de la gentamicine et de la vancomycine. Tous les traitements utilisés ont provoqué des changements dans la composition de la communauté microbienne des sols et les groupes des Xanthomonadaceae (Gammaproteobacteria) et des Micrococcaceae (Actinobacteria) prédominaient dans les sols traités avec les deux antibiotiques. La dégradation du diesel était moins efficace lorsque des nutriments étaient également ajoutés en même temps que la gentamicine et la vancomycine, possiblement à cause de la compétition d'une population fongique plus importante.Ces résultats suggèrent qu'il est possible d'améliorer l'efficacité des traitements pour les sols arctiques contaminés par des hydrocarbures. Dans le futur, les recherches devraient se concentrer sur l'identification des microorganismes du sol qui dégradent le plus rapidement les divers contaminants associés à l'exploitation des hydrocarbures, ainsi que sur la compréhension des facteurs qui peuvent limiter leur activité.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114487 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Bell, Terrence |
| Contributors | Charles William Greer (Supervisor1), Lyle Whyte (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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