Development and characterization of an anaerobic microcosm for reductive dechlorination of PCBs

Highlights

A robust PCB-dechlorinating sediment-free enrichment culture is developed.

This enrichment culture can extensively dechlorinate a PCB mixture Aroclor 1260.

This culture effectively catalyzes major meta-PCBs dechlorination.

This study facilitates the exploration of PCB dechlorinators for bioremediation.

Abstract

The toxic and recalcitrant polychlorinated biphenyls (PCBs) adversely affect human and biota by bioaccumulation and biomagnification through food chain. In this study, an anaerobic microcosm was developed to extensively dechlorinate hexa- and hepta-CBs in Aroclor 1260. After 4 months of incubation in defined mineral salts medium amended PCBs (70 mmol·L⁻¹) and lactate (10 mmol·L⁻¹), the culture dechlorinated hexa-CBs from 40.2% to 8.7% and hepta-CBs 33.6% to 11.6%, with dechlorination efficiencies of 78.3% and 65.5%, respectively (all in moL ratio). This dechlorination process led to tetra-CBs (46.4%) as the predominant dechlorination products, followed by penta- (22.1%) and tri-CBs (5.4%). The number of meta chlorines per biphenyl decreased from 2.50 to 1.41. Results of quantitative real-time PCR show that Dehalococcoides cells increased from 2.39 × 10⁵±0.5 × 10⁵ to 4.99 × 10⁷±0.32 × 10⁷ copies mL⁻¹ after 120 days of incubation, suggesting that Dehalococcoides play a major role in reductive dechlorination of PCBs. This study could prove the feasibility of anaerobic reductive culture enrichment for the dehalogenation of highly chlorinated PCBs, which is prior to be applied for in situ bioremediation of notorious halogenated compounds.

Graphical abstract

Keywords

Polychlorinated biphenyls (PCBs) / Microbial reductive dechlorination / Dehalococcoides / Pathway

References

[1] U.S. Department of Health and Human Services-ATSDR. Toxicological Profile for Polychlorinated Biphenyls (PCBs). 2000. Available online at http://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp17.pdf. (accessed Nov 26, 2016)

[2] Passatore L, Rossetti S, Juwarkar A A, Massacci A. Phytoremediation and bioremediation of polychlorinated biphenyls (PCBs): state of knowledge and research perspectives. Journal of Hazardous Materials, 2014, 278: 189–202

[3] Bedard D L, Bunnell S C, Smullen L A. Stimulation of microbial para-dechlorination of polychlorinated biphenyls that have persisted in Housatonic River sediment for decades. Environmental Science & Technology, 1996, 30(2): 687–694

[4] Yan T, LaPara T M, Novak P J. The effect of varying levels of sodium bicarbonate on polychlorinated biphenyl dechlorination in Hudson River sediment cultures. Environmental Microbiology, 2006, 8(7): 1288–1298

[5] Wu Q, Sowers K R, May H D. Establishment of a polychlorinated biphenyl-dechlorinating microbial consortium, specific for doubly flanked chlorines, in a defined, sediment-free medium. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66(1): 49–53

[6] Wang S, He J. Dechlorination of commercial PCBs and other multiple halogenated compounds by a sediment-free culture containing Dehalococcoides and Dehalobacter. Environmental Science & Technology, 2013, 47(18): 10526–10534

[7] Bedard D L. A case study for microbial biodegradation: anaerobic bacterial reductive dechlorination of polychlorinated biphenyls-from sediment to defined medium. Annual Review of Microbiology, 2008, 62(1): 253–270

[8] Fennell D E, Nijenhuis I, Wilson S F, Zinder S H, Häggblom M M. Dehalococcoides ethenogenes strain 195 reductively dechlorinates diverse chlorinated aromatic pollutants. Environmental Science & Technology, 2004, 38(7): 2075–2081

[9] Adrian L, Dudková V, Demnerová K, Bedard D L. “Dehalococcoides” sp. strain CBDB1 extensively dechlorinates the commercial polychlorinated biphenyl mixture aroclor 1260. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(13): 4516–4524

[10] Adrian L, Hansen S K, Fung J M, Görisch H, Zinder S H. Growth of Dehalococcoides strains with chlorophenols as electron acceptors. Environmental Science & Technology, 2007, 41(7): 2318–2323

[11] Fricker A D, LaRoe S L, Shea M E, Bedard D L. Dehalococcoides mccartyi strain JNA dechlorinates multiple chlorinated phenols including pentachlorophenol and harbors at least 19 reductive dehalogenase homoLogous genes. Environmental Science & Technology, 2014, 48(24): 14300–14308

[12] Wiegel J, Wu Q. Microbial reductive dehalogenation of polychlorinated biphenyls. FEMS Microbiology Ecology, 2000, 32(1): 1–15

[13] Bedard D L, Bailey J J, Reiss B L, Jerzak G V. Development and characterization of stable sediment-free anaerobic bacterial enrichment cultures that dechlorinate aroclor 1260. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(4): 2460–2470

[14] Cutter L A, Watts J E M, Sowers K R, May H D. Identification of a microorganism that links its growth to the reductive dechlorination of 2,3,5,6-chlorobiphenyl. Environmental Microbiology, 2001, 3(11): 699–709

[15] He J, Robrock K R, Alvarez-Cohen L. Microbial reductive debromination of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs). Environmental Science & Technology, 2006, 40(14): 4429–4434

[16] He J, Ritalahti K M, Yang K L, Koenigsberg S S, Löffler F E. Detoxification of vinyl chloride to ethene coupled to growth of an anaerobic bacterium. Nature, 2003, 424(6944): 62–65

[17] Wang S, He J. Phylogenetically distinct bacteria involve extensive dechlorination of aroclor 1260 in sediment-free cultures. PLoS One, 2013, 8(3): e59178

[18] Chu S, Hong C S. Retention indexes for temperature-programmed gas chromatography of polychlorinated biphenyls. Analytical Chemistry, 2004, 76(18): 5486–5497

[19] Hendrickson E R, Payne J A, Young R M, Starr M G, Perry M P, Fahnestock S, Ellis D E, Ebersole R C. MoLecular analysis of Dehalococcoides 16S ribosomal DNA from chloroethene-contaminated sites throughout North America and Europe. Applied and Environmental Microbiology, 2002, 68(2): 485–495

[20] Löffler F E, Sun Q, Li J, Tiedje J M. 16S rRNA gene-based detection of tetrachloroethene-dechlorinating Desulfuromonas and Dehalococcoides species. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66(4): 1369–1374

[21] Schlötelburg C, Wintzingerode C, Hauck R, Wintzingerode F, Hegemann W, Göbel U B. Microbial structure of an anaerobic bioreactor population that continuously dechlorinates 1,2-dichloropropane. FEMS Microbiology Ecology, 2002, 39(3): 229–237

[22] el Fantroussi S, Mahillon J, Naveau H, Agathos S N. Introduction of anaerobic dechlorinating bacteria into soil slurry microcosms and nested-PCR monitoring. Applied and Environmental Microbiology, 1997, 63(2): 806–811

[23] Sung Y, Fletcher K E, Ritalahti K M, Apkarian R P, Ramos-Hernández N, Sanford R A, Mesbah N M, Löffler F E. Geobacter lovleyi sp. nov. strain SZ, a novel metal-reducing and tetrachloroethene-dechlorinating bacterium. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(4): 2775–2782

[24] Watts J E M, Fagervold S K, May H D, Sowers K R. A PCR-based specific assay reveals a population of bacteria within the Chloroflexi associated with the reductive dehalogenation of polychlorinated biphenyls. Microbiology, 2005, 151(6): 2039–2046

[25] Fagervold S K, Watts J E M, May H D, Sowers K R. Sequential reductive dechlorination of meta-chlorinated polychlorinated biphenyl congeners in sediment microcosms by two different Chloroflexi phylotypes. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(12): 8085–8090

[26] Bedard D L, Ritalahti K M, Löffler F E. The Dehalococcoides population in sediment-free mixed cultures metabolically dechlorinates the commercial polychlorinated biphenyl mixture aroclor 1260. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(8): 2513–2521

[27] Wang S, He J. Two-step denaturing gradient gel electrophoresis (2S-DGGE), a gel-based strategy to capture full-length 16S rRNA gene sequences. Applied Microbiology and Biotechnology, 2012, 95(5): 1305–1312

[28] Cheng D, He J. Isolation and characterization of “Dehalococcoides” sp. strain MB, which dechlorinates tetrachloroethene to trans-1,2-dichloroethene. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(18): 5910–5918

[29] Bedard D L, May R J. Characterization of the polychlorinated biphenyls in the sediments of Woods Pond: evidence for microbial dechlorination of Aroclor 1260 in situ. Environmental Science & Technology, 1996, 30(1): 237–245 

[30] Fagervold S K, May H D, Sowers K R. Microbial reductive dechlorination of aroclor 1260 in Baltimore harbor sediment microcosms is catalyzed by three phylotypes within the phylum Chloroflexi. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(9): 3009–3018 

[31] Bedard D L, Pohl E A, Bailey J J, Murphy A. Characterization of the PCB substrate range of microbial dechlorination process LP. Environmental Science & Technology, 2005, 39(17): 6831–6838

[32] Berkaw M, Sowers K R, May H D. Anaerobic ortho dechlorination of polychlorinated biphenyls by estuarine sediments from Baltimore Harbor. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62(7): 2534–2539 

[33] Van Dort H M, Bedard D L. Reductive ortho and meta dechlorination of a polychlorinated biphenyl congener by anaerobic microorganisms. Applied and Environmental Microbiology, 1991, 57(5): 1576–1578

[34] Williams W A. Microbial reductive dechlorination of trichlorobiphenyls in anaerobic sediment slurries. Environmental Science & Technology, 1994, 28(4): 630–635

[35] Ahsanul Islam M, Edwards E A, Mahadevan R. Characterizing the metabolism of Dehalococcoides with a constraint-based model. PLoS Computational Biology, 2010, 6(8): e1000887

[36] HugL A, BeikoR G, RoweA R, RichardsonR E, EdwardsE A. Comparative metagenomics of three Dehalococcoides-containing enrichment cultures: the role of the non-dechlorinating community.BMC Genomics, 2012, 13(1): 327

Acknowledgements

This work was financial supported by grants from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51108014 and 41671310).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg