Bioaugmentation of Native Fungi, an Efficient Strategy for the Bioremediation of an Aged Industrially Polluted Soil With Heavy Hydrocarbons

Resumo

A ocorrência de contaminantes associados ao petróleo estruturalmente complexos em concentrações relativamente altas, com diversas condições climáticas e características texturais do solo, dificulta os processos convencionais de biorremediação. Compostos recalcitrantes, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos de alto peso molecular (HAPs) e alcanos pesados, comumente permanecem após a biorremediação padrão do solo em concentrações acima dos limites regulatórios. O presente estudo avaliou o potencial da bioaumentação fúngica nativa como uma estratégia para promover a biorremediação de um solo industrialmente poluído e envelhecido, enriquecido com frações pesadas de hidrocarbonetos. Ensaios dos microrganismos foram realizados por meio de bioestimulação e bioaumento, inoculando um consórcio definido de seis fungos potencialmente hidrocarbonoclásticos pertencentes aos gêneros Penicillium, Ulocladium, Aspergillus e Fusarium, que foram isolados previamente do solo poluído. O desempenho de biodegradação do bioaumento fúngico foi comparado com a bioestimulação do solo (adição de água e nutrientes) e com o solo não tratado como controle. O bioaumento fúngico resultou em uma maior biodegradação de hidrocarbonetos totais de petróleo (HTPs) e de HAPs do que com a bioestimulação. HTPs (C14-C35) diminuiu 39,90 ± 1,99% nos microrganismos bioaumentados vs. 24,17 ± 1,31% nos microrganismos bioestimulados. Quanto ao efeito do bioaumento fúngico nos HAPs, o benzo(a)fluoranteno de 5 anéis e o benzo(a)pireno foram reduzidos em 36% e 46%, respectivamente, enquanto o benzopireno de 6 anéis diminuiu 28%, após 120 dias de tratamento. Os microrganismos bioestimulados exibiu uma redução significativamente menor de HAPs de 5 e 6 anéis (8% e 5%, respectivamente). Maiores níveis de biodegradação de HTPs e HAPs nos microrganismos bioaumentados também foram associados a uma diminuição significativa na ecotoxicidade aguda (EC50) por ensaios de inibição de bioluminescência de Vibrio fischeri. O perfil molecular e a contagem de bactérias degradadoras de hidrocarbonetos viáveis do microbioma do solo revelaram que o bioaumento fúngico promoveu o crescimento de bactérias hidrocarbonoclásticas autóctones ativas. A implementação de tal abordagem para melhorar a biodegradação de hidrocarbonetos deve ser considerada como uma nova estratégia de biorremediação para o tratamento dos hidrocarbonetos mais recalcitrantes e altamente genotóxicos em solos industrialmente poluídos e envelhecidos.

Abstract

The concurrence of structurally complex petroleum-associated contaminants at relatively high concentrations, with diverse climatic conditions and textural soil characteristics, hinders conventional bioremediation processes. Recalcitrant compounds such as high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons (HMW-PAHs) and heavy alkanes commonly remain after standard soil bioremediation at concentrations above regulatory limits. The present study assessed the potential of native fungal bioaugmentation as a strategy to promote the bioremediation of an aged industrially polluted soil enriched with heavy hydrocarbon fractions. Microcosms assays were performed by means of biostimulation and bioaugmentation, by inoculating a defined consortium of six potentially hydrocarbonoclastic fungi belonging to the genera Penicillium, Ulocladium, Aspergillus, and Fusarium, which were isolated previously from the polluted soil. The biodegradation performance of fungal bioaugmentation was compared with soil biostimulation (water and nutrient addition) and with untreated soil as a control. Fungal bioaugmentation resulted in a higher biodegradation of total petroleum hydrocarbons (TPH) and of HMW-PAHs than with biostimulation. TPH (C14-C35) decreased by a 39.90 ± 1.99% in bioaugmented microcosms vs. a 24.17 ± 1.31% in biostimulated microcosms. As for the effect of fungal bioaugmentation on HMW-PAHs, the 5-ringed benzo(a)fluoranthene and benzo(a)pyrene were reduced by a 36% and 46%, respectively, while the 6-ringed benzoperylene decreased by a 28%, after 120 days of treatment. Biostimulated microcosm exhibited a significantly lower reduction of 5- and 6-ringed PAHs (8% and 5% respectively). Higher TPH and HMW-PAHs biodegradation levels in bioaugmented microcosms were also associated to a significant decrease in acute ecotoxicity (EC50) by Vibrio fischeri bioluminiscence inhibition assays. Molecular profiling and counting of viable hydrocarbon-degrading bacteria from soil microcosms revealed that fungal bioaugmentation promoted the growth of autochthonous active hydrocarbon-degrading bacteria. The implementation of such an approach to enhance hydrocarbon biodegradation should be considered as a novel bioremediation strategy for the treatment of the most recalcitrant and highly genotoxic hydrocarbons in aged industrially polluted soils.