Less stress, less mess

Onderzoek naar stress bij bacteriën ter bestrijding van milieuvervuiling

Milieuvervuiling is een groot, mondiaal probleem. Voor het welzijn van de planeet is het noodzakelijk dat er minder schadelijke stoffen vrij komen en dat bestaande vervuilingen worden opgeruimd. Daarbij kunnen bacteriën een belangrijke rol spelen. Zo is bijvoorbeeld bekend dat er bij olievervuiling op zee of in de bodem na verloop van tijd vanzelf bacteriën opduiken die olie als voedsel gebruiken, waardoor de olie langzaam maar zeker wordt afgebroken. Ook zijn er bacteriën gevonden die kunnen leven van giftige stoffen zoals herbiciden of pesticiden. De afbraak van vervuilingen door bacteriën – in vaktermen biodegradatie – lijkt dan ook de perfecte oplossing voor een schoner milieu.

Biodegradatie

Er zijn al verschillende pogingen gedaan om bacteriën in te zetten bij schoonmaakoperaties op het land of in de zee. Helaas bleek het in de praktijk vaak niet goed te werken. In veel gevallen groeiden de bacteriën, die in het laboratorium voor een mooie afbraak zorgden, buiten in

Foto Johan Leveau: bacteriën op een bladoppervlak

het veld nauwelijks, of ze overleefden niet eens. Dat heeft te maken met het feit dat de vervuilde grond in het echt veel stressvoller is dan onder laboratorium omstandigheden. Buiten heeft een bacterie te maken met droogte, lage concentraties aan voedingsstoffen of de aanwezigheid van toxische stoffen. Nieuw geïntroduceerde bacteriën moeten onder deze stressvolle omstandigheden concurreren met een al aanwezige bacterie-gemeenschap die veel beter aangepast is aan de specifieke condities van deze omgeving. Voor het succesvol toepassen van biodegradatie is het dus niet alleen van belang om te onderzoeken hoe bacteriën een stof kunnen afbreken, maar ook hoe ze simpelweg kunnen overleven onder de dagelijkse stress in de natuur. Onderzoeker Johan Leveau van het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) licht dat als volgt toe: “Je kunt niet aan een bacterie vragen om iets te doen, bijvoorbeeld een verontreiniging afbreken, terwijl de rest van haar kleine lijfje schreeuwt dat dat helemaal niet kan, omdat zij helemaal niet tegen de omstandigheden is opgewassen. Het gaat er ons nu vooral om de biologische context te begrijpen, waarbinnen we toepassingsvolle dingen van bacteriën kunnen verwachten.”

BACSIN

Het NIOO-KNAW is betrokken bij een groot Europees samenwerkingsverband, BACSIN, dat in 2008 is opgericht om te onderzoeken hoe de potentiele capaciteit van bacteriën om vervuiling af te breken optimaal benut kan worden. Dr Johan Leveau en Dr Tanja Scheublin van de NIOO-werkgroep Terrestrische Microbiële Ecologie (TME) kijken daarbij naar bacteriën in de fylosfeer, dat wil zeggen op het bladoppervlak van planten. Tanja Scheublin daarover: “Het lijkt op het eerste gezicht misschien raar om op de bladeren van planten te kijken naar biodegradatie. Vervuiling bevindt zich immers meestal in de bodem. Maar er zijn wel enkele giftige stoffen zoals bijvoorbeeld fenol en polycyclische aromatische hydrocarbonaten (PAHs) die zich als luchtverontreinigingen kunnen ophopen op het blad.” 

Fylosfeer

Wat is BACSIN? BACSIN is een samenwerkingsverband tussen 16 Europese universiteiten, onderzoeks-instituten en bedrijven dat maart 2008 is gestart. Het BASCIN project richt zich op het onderzoeken van stress factoren die bacteriën in een natuurlijke omgeving tegen komen, zodat hun biodegradatie capaciteiten optimaal gebruikt kunnen worden. Door de brede opzet met verschillende Europese partners kan er aan meerdere systemen gewerkt worden. Zo kan naar verschillende bodemtypen gekeken worden, maar ook naar de zee en naar bacteriën op plantenbladeren. BACSIN staat voor Bacterial Abiotic Cellular Stress and Survival Improvement Network. Meer info is te vinden op de website: www.bacsin.org.

Binnen het BACSIN-project is het NIOO-onderzoek bijzonder nuttig omdat de fylosfeer een erg stressvolle omgeving is met extreme droogte, snel afgewisseld met nattere perioden bij regen, grote temperatuurverschillen, blootstelling aan UV-straling en nog veel meer. Het is te verwachten dat bacteriën die in de fylosfeer leven, goed met verschillende stressfactoren om kunnen gaan. Tanja Scheublin: “Het belangrijkste doel in dit project is om uit te zoeken hoe bacteriën met stress omgaan. Als je daar meer over weet, weet je ook waar je op moet letten als je nieuwe bacteriën wilt isoleren, of hoe je bacteriën beter kunt voor bereiden op overleving in een nieuwe stressvolle omgeving. Een van de dingen die we bijvoorbeeld gaan uitproberen is of we de overleving van bacteriën in de bodem kunnen verbeteren door ze eerst aan de stressvolle fylosfeer-omgeving bloot te stellen, het zogenaamde fylopriming. ” Johan Leveau voegt daar nog aan toe: “Bij bacteriën op het bladoppervlak bestaat een reële kans dat ze gunstige eigenschappen aan elkaar overdragen. Natuurlijke genoverdracht is een proces dat op de fylosfeer is aangetoond en dat een rol speelt in de uitwisseling van onder andere genen die betrokken zijn bij het overleven. Zo hebben verschillende fylosfeerbacteriën genen voor de reparatie van door UV beschadigd DNA op een plasmide: een circulair stukje DNA dat ze betrekkelijk eenvoudig aan elkaar kunnen overdragen. Zo zou een olie-afbrekende bacterie vrij snel een bescherming tegen zonlicht kunnen verwerven.”

In beginsel zullen de deelnemers aan het BACSIN-project hun onderzoek onder laboratorium omstandigheden verrichten. Als van daaruit meer duidelijkheid is verkregen hoe bacteriën omgaan met stress en biodegradatie kunnen ze tot praktische toepassingen komen om vervuilde bodems schoon te maken.

Profiel onderzoekers 

Dr. Johan Leveau is als deeltijd senior onderzoeker verbonden aan het Nederlands Insituut voor Ecologie en leidt het BACSIN fylosfeer project vanuit de VS, waar hij als Assistant Professor werkzaam is aan de afdeling Plant Pathology van de University of California in Davis.Hij verkreeg zijn doctortitel aan de ETH in Zürich, Zwitserland, waar hij werkte aan de bacteriële afbraak van het onkruidbestrijdingsmiddel 2,4-D. Hij kwam naar het Nederlands Instituut voor Ecologie na een postdoctorale studie aan de University of California in Berkeley, met als onderzoeksthema de biologie en ecologie van plant-geassocieerde bacteriën.

Dr. Tanja Scheublin werkt sinds oktober 2008 als postdoc onderzoeker bij het Nederlands Instituut voor Ecologie op het BACSIN-project. Zij is gespecialiseerd in de interacties tussen planten, bacteriën en schimmels. Na haar studie aan de Universiteit van Leiden, waarbij zij tijdens haar stages verschillende samenwerkingsverbanden tussen bacteriën en plantenwortels bestudeerde, is zij aan de Vrije Universiteit in Amsterdam gepromoveerd op de interacties tussen planten en symbiotische mycorrhiza schimmels. Tijdens een postdoctorale studie aan de University of Lausanne in Zwitserland onderzocht zij bacteriën die samen met mycorrhiza schimmels leven.