anaerobic bacteria that dechlorinate pce

8/6/2019 Anaerobic Bacteria That Dechlorinate PCE

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V o l . 5 3 , N o . 1 1P P L I E D AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Nov. 1 9 8 7 , p . 2671-26740 0 9 9 - 2 2 4 0 / 8 7 / 1 1 2 6 7 1 - 0 4 $ 0 2 . 0 0 / 0C o p y r i g h t 1 9 8 7 , A m e r i c a n S o c i e t y f o r M i c r o b i o l o g y

NOTESA n a e r o b i c B a c t e r i a T h a t D e c h l o r i n a t e P e r c h l o r o e t h e n e t

BABU Z . FATHEPURE, J . P . NENGU, AND STEPHEN A . BOYD*D e p a r t me n t s o f C r o p a nd S o i l S c i e n c e s a n d o f M i c r o b i o l o g y a n d P u b l i c H e a l t h , Michigan S t a t e U n i v e r s i t y ,E a s t L a n s i n g , M i c h i g a n 4 8 8 2 4

R e c e i v e d 8 J u n e 1 9 8 7 / A c c e p t e d 6 A u g u s t 1 9 8 7I n t h i s s t u d y , we i d e n t i f i e d s p e c i f i c c u l t u r e s o f a n ae r o b i c b a c t e r i a t h a t d e c h l o r i n a t e p e r c h l o r o e t h e n e ( P C E ) .T h e b a c t e r i a t h a t s i g n i f i c a n t l y d e c h l o r i n a t e d PC E were s t r a i n DCB-1, an o b l i g a t e a n a e r o b e p r e v i o u s l y shownt o d e c h l o r i n a t e c h l o r o b e n z o a t e , a n d two s t r a i n s o f M e t h a n o s a r c i n a . Th e r a t e o f PC E d e c h l o r i n a t i o n by DCB-1c o m p a r e d f a v o r a b l y w i t h r e p o r t e d r a t e s o f t r i c h l o r o et h e ne b i o - o x i d at i o n b y m e t h a n o t r o p h s . Even h i g h e r PC Ed e c h l o r i n a t i o n r a t e s were a c h i e v e d when DCB-1 was grown i n a m e t h a n o g e n i c c o n s o r t i u m .

T h e m o s t common o r g a n i c g r o u n d w a t e r c o n t a m i n a n t s a r eC 1 a n d C 2 c h l o r i n a t e d c o m p o u n d s s u c h a s p e r c h l o r o e t h e n e( P C E ) a n d t r i c h l o r o e t h e n e ( T C E ) . T h e s e c o m p o u n d s a r e o fs p e c i a l c o n c e r n b e c a u s e t h e y a r e s u sp e c t ed c ar c i n o g en s a n db e c a u s e t h e y a r e u b i q u i t o u s i n n a t u r e . T h e y h av e b e e nw i d e l y u s e d i n d r y - c l e a n i n g a n d d e g r e a s i n g o p e r a t i o n s , a sf u m i g a n t s f o r i n s e c t a n d r o d e n t r e m o v a l , a s f l u i d s f o r c l e a n -i n g s e p t i c t a n k s , a n d i n t h e m a n u f a c t u r e o f p l a s t i c s .PC E a n d TCE a r e r e s i s t a n t t o b i o d e g r a d a t i o n i n a e r o b i cs u b s u r f a c e e n v i r o n m e n t s , e x c e p t u n d e r s p e c i a l c o n d i t i o n ss u c h a s t h e p r e s e n c e o f n a t u r a l g a s ( 8 , 1 6 , 2 0 ) . H o w e v e r ,s e v e r a l s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t t h e s e c o m p o u n d s a r e b i o -d e g r a d e d u n d e r a n a e r o b i c c o n d i t i o n s . T h e a n a e r o b i c h a b i -t a t s t h a t h a v e b e e n s h o w n t o s u p p o r t b i o d e g r a d a t i o n a r ec o n t i n u o u s - f l o w m e t h a n o g e n i c f i x e d - f i l m r e a c t o r s ( 2 , 1 8 ) ,m i x e d m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a l c u l t u r e s ( 4 ) , a n a e r o b i c s o i l( 1 2 ) , a n d o r g a n i c s e d i m e n t ( m u c k ) f r o m t h e E v e r g l a d e s ( 1 ) .A l l o f t h e s e s t u d i e s p o i n t t o a s e q u e n t i a l r e d u c t i v e d e -c h l o r i n a t i o n p a t h w a y i n a n a e r o b i c h a b i t a t s : P C E - + T C E - +d i c h l o r o e t h e n e - - v i n y l c h l o r i d e . I n g e n e r a l , t h e r a t e s o ft r a n s f o r m a t i o n d e c r e a s e a s c h l o r i n e i s r e m o v e d ( 1 8 ) . Tod a t e , n o o n e h a s i d e n t i f i e d t h e s p e c i f i c b a c t e r i a r e s p o n s i b l ef o r t h e r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f c h l o r i n a t e d e t h e n e s ,a l t h o u g h t h i s i s c l e a r l y a b i o l o g i c a l r e a c t i o n .R e c e n t s t u d i e s ( 8 , 1 6 , 2 0 ) h a v e s h o w n t h a t TC E a n d o t h e rc h l o r i n a t e d e t h e n e s a n d m e t h a n e s a r e b i o d e g r a d e d b ym e t h a n o t r o p h s . T h u s , u n d e r a e r o b i c c o n d i t i o n s i n t h e p r e s -e n c e o f m e t h a n e , TCE w a s b i o - o x i d i z e d t o C O 2 . T h i sp r o c e s s wa s f i r s t o b s e r v e d i n s o i l e x p o s e d t o n a t u r a l g a s ( 2 0 )a n d was s u b s e q u e n t l y o b s e r v e d i n e n r i c h m e n t c u l t u r e s o fm e t h a n o t r o p h s o b t a i n e d f r o m s e d i m e n t ( 8 ) . O x i d a t i o n o fc h l o r o f o r m i n s o i l e x p o s e d t o n a t u r a l g a s h a s a l s o b e e no b s e r v e d ( 1 6 ) . F o g e l e t a l . ( 8 ) s u g g e s t e d t h a t TC E waso x i d i z e d t o t r i c h l o r o e t h e n e e p o x i d e b y m e t h a n e m o n o o x y -g e n a s e a n d t h e n r a p i d l y h y d r o l y z e d . M e t h a n o t r o p h s a r ek n o w n t o c o n v e r t e t h e n e t o e t h e n e e p o x i d e i n a n a n a l o g o u sf a s h i o n ( 1 0 ) . T h i s b i o d e g r a d a t i o n p r o c e s s d i f f e r s f r o m t h ea n a e r o b i c p r o c e s s i n t w o i m p o r t a n t w a y s : t h e d e g r a d a t i o np r o d u c t s d i d n o t i n c l u d e o t h e r v o l a t i l e c h l o r i n a t e d c o m -p o u n d s ( e . g . , v i n y l c h l o r i d e ) , a n d t h e d e g r a d a t i o n r a t e s

* C o r r e s p o n d i n g a u t h o r .t J o u r n a l a r t i c l e n o . 1 2 4 0 9 o f t h e M i c h i g a n A g r i c u l t u r a l E x p e r i -ment S t a t i o n .

d e c r e a s e d f o r m o r e - c h l o r i n a t e d c o m p o u n d s . T h u s , v i n y lc h l o r i d e w a s d e g r a d e d m o r e r a p i d l y t h a n TCE, a n d PC E w a sn o t d e g r a d e d a t a l l .I n t h i s s t u d y , we i d e n t i f i e d s p e c i f i c a x e n i c c u l t u r e s o fa n a e r o b e s c a p ab l e o f d eg r a d i n g PCE v i a r e d u c t i v e d e -c h l o r i n a t i o n . T h e a n a e r o b i c b a c t e r i a s t u d i e d a r e s h o w n i nT a b l e 1 . T h e y w e r e s e l e c t e d t o r e p r e s e n t m a j o r g r o u p s o fa n a e r o b e s i n t h e e n v i r o n m e n t a n d , i n s o m e c a s e s , w e r ec h o s e n f o r t h e i r a b i l i t y t o d e c h l o r i n a t e o t h e r s u b s t r a t e s .S e v e r a l r e c e n t s t u d i e s ( 2 - 4 , 1 8 ) h a v e s u g g e s t e d t h a t a c e t a t e -u t i l i z i n g m e t h a n o g e n s ma y p l a y a r o l e i n t h e d e c h l o r i n a t i o no f c h l o r i n a t e d e t h e n e s . T h e s e w o r k e r s f o u n d m o r e - r a p i dd e c h l o r i n a t i o n i n v o l v i n g a much w i d e r a r r a y o f c o m p o u n d su n d e r m e t h a n o g e n i c c o n d i t i o n s t h a n w a s f o u n d u n d e rd e n i t r i f y i n g c o n d i t i o n s w i t h a c e t a t e a s t h e o n l y p r i m a r ys u b s t r a t e . We t e s t e d f o u r a c e t a t e - u t i l i z i n g m e t h a n o g e n s f o rt h e a b i l i t y t o c o n v e r t PC E a t a c o n c e n t r a t i o n o f 1 ppm ( 3 0 0n m o l / 5 0 m l ) t o TCE. The m e t h a n o g e n s u s e d w e r e aM e t h a n o s a r c i n a s p . i s o l a t e d f r o m a m e t h a n o g e n i c e n r i c h -m e n t g r o w i n g o n c h l o r o p h e n o l ( 5 ) , M e t h a n o s a r c i n a m a z e i ,M e t h a n o s a r c i n a a c e t i v o r a n s , a n d a h i g h l y e n r i c h e d M e t h -a n o t h r i x c u l t u r e , a l s o o b t a i n e d f r o m t h e c h l o r o p h e n o l e n -r i c h m e n t ( T a b l e 1 ) . B o t h t h e M e t h a n o s a r c i n a s p . a n d M.m a z e i c u l t u r e s p r o d u c e d s i g n i f i c a n t l y more TC E f r o m PC Et h a n d i d t h e s t e r i l e c o n t r o l s . T h e d e c h l o r i n a t i o n r a t e wa sp a r a l l e l t o t h e m e t h a n e p r o d u c t i o n r a t e , a n d maximum y i e l d so f TC E w e r e o b t a i n e d w i t h m e t h a n o l ( a s o p p o s e d t o a c e t a t e )a s t h e g r o w t h s u b s t r a t e . T h e h i g h e r d e c h l o r i n a t i o n r a t e mayb e r e l a t e d t o t h e r e d u c i n g p o w e r g e n e r a t e d d u r i n g t h em e t a b o l i s m o f m e t h a n o l ( s i x r e d u c i n g e q u i v a l e n t s ) , w h i c hw a s h i g h e r t h a n t h e r e d u c i n g p o w e r g e n e r a t e d d u r i n g a c e t a t em e t a b o l i s m ( t w o r e d u c i n g e q u i v a l e n t s ) b y M e t h a n o s a r c i n as p . By c o m p a r i s o n , M. a c e t i v o r a n s a n d M e t h a n o t h r i x s p .d i d n o t s h o w s i g n i f i c a n t l y more c o n v e r s i o n o f PC E t o TCEt h a n d i d s t e r i l e c o n t r o l s . S i m i l a r l y , n o s i g n i f i c a n t TC E p r o -d u c t i o n w a s n o t e d f o r D e s u l f o v i b r i o d e s u l f u r i c a n s . T h i sr e s u l t was n o t s u r p r i s i n g , a s o x i d i z e d f o r m s o f s u l f u r h a v eb e e n s h o w n t o i n h i b i t r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n i n g r o u n d w a -t e r ( 9 ) a n d d e c h l o r i n a t i o n b y a p u r e - c u l t u r e d e h a l o g e n a t o ro b t a i n e d f r o m s e w a g e s l u d g e ( 1 4 ) .Two s p e c i e s o f C l o s t r i d i u m were a l s o t e s t e d f o r PC Ed e c h l o r i n a t i o n . T h e s e b a c t e r i a , C . p a s t e u r i a n u m a n d C .b u t y r i c u m , w e r e p r e v i o u s l y shown t o b e a c t i v e d e c h l o r i n a -t o r s o f h e x a c h l o r o c y c l o h e x a n e ( 1 1 ) . I n g e n e r a l , TC E p r o -

2 6 7 1


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A P P L . E N V I R O N . M I C R O B I O L .TABLE 1 . R e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E ( 1 p p m ) t o TC E b y a x e n i c c u l t u r e s o f a n a e r o b e s

Amt o f TC E f o r m e d( n m o l U 5 0 m l ) a R a t e ( n m o l o fA n a e r o b e ( r e f e r e n c e ) T C E / m g p e r G r o w t h c o n d i t i o n sU n i n o c u l a t e d A c t i v e d a y , 1 0 - 2 ) bc o n t r o l c u l t u r eM e t h a n o s a r c i n a s p . 2 . 0 1 3 . 0 8 4 M e t h a n o l ( 2 5 m M ) , PREM me d iu m ( 7 ) , N2M e t h a n o s a r c i n a m a z e i 2 . 9 1 3 . 2 4 8 M e t h a n o l ( 2 5 m M ) , PREM m e d i u m ( 7 ) , N 2M e t h a n o s a r c i n a a c e t i v o r a n s ( 1 5 ) 1 . 5 1 . 2 S o d i u m a c e t a t e ( 5 0 m M ) , N 2 - C O 2 ( 4 : 1 )M e t h a n o t h r i x s p . c 2 . 9 5 . 9 S o d i u m a c e t a t e ( 5 0 m M ) , PREM m e d i u m ( 7 ) , N 2D e c h l o r i n a t i n g b a c t e r i u m DCB-1 ( 1 4 ) 2 . 5 1 8 6 . 0 2 3 4 3 - C h l o r o b e n z o a t e ( 1 m M ) , p y r u v a t e ( 0 . 2 % ) ,rumen f l u i d ( 1 0 % ) , N 2 - C O 2 ( 4 : 1 )B e n z o a t e o x i d i z e r B Z - 2 ( 1 4 ) d 3 . 0 8 . 2 B e n z o a t e ( 1 0 m M ) , p y r u v a t e ( 0 . 2 % ) , rumen f l u i d( 1 0 % ) , N 2 - C O 2 ( 4 : 1 )D e s u l f o v i b r i o d e s u l f u r i c a n s 2 . 0 2 . 0 P y r u v a t e ( 0 . 2 % ) , N a 2 S O 4 ( 2 0 m M ) , y e a s t e x t r a c t( 0 . 0 3 % ) , PREM medium ( 7 ) , N 2 - C O 2 ( 4 : 1 )C l o s t r i d i u m b u t y r i c u m ATCC 8 2 6 0 1 . 2 1 . 6 G l u c o s e ( 0 . 1 % ) , y e a s t e x t r a c t ( 0 . 0 0 3 % ) , m i n e r a lm e d i u m ( 1 3 ) , N 2C l o s t r i d i u m p a s t e u r i a n u m ATCC 6 0 1 3 1 . 2 1 . 6 G l u c o s e ( 0 . 1 % ) , y e a s t e x t r a c t ( 0 . 0 0 3 % ) , m i n e r a lm e d i u m ( 1 3 ) , N 2

a F o r m a t i o n o f TCE w a s d e t e r m i n e d a t t h e e n d o f g r o w t h p h a s e f o r e a c h b a c t e r i u m . I n i t i a l PC E c o n c e n t r a t i o n wa s 3 0 0 n m o l / 5 0 m l . E a c h e x p e r i m e n t wa sd u p l i c a t e d , a n d t h e m e a n i s r e p o r t e d .b D e c h l o r i n a t i o n r a t e s d u r i n g l o g p h a s e . R a t e s a r e r e p o r t e d w h e n s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n TCE a c c u m u l a t i o n w e r e o b s e r v e d b e t w e e n u n i n o c u l a t e d c o n t r o l s a n da c t i v e c u l t u r e s .c H i g h l y e n r i c h e d c u l t u r e ; m o r e t h a n 95% o f p o p u l a t i o n w a s M e t h a n o t h r i x s p . A l l o t h e r a n a e r o b e s w e r e a x e n i c .d G r o w n i n c o c u l t u r e c o n s i s t i n g o f a p p r o x i m a t e l y 70% b e n z o a t e - o x i d i z i n g b a c t e r i u m B Z - 2 a nd 3 0 % o M e t h a n o s p i r i l l u m s p . s t r a i n P M - 1 .d u c t i o n f r o m a c t i v e c u l t u r e s o f t h e b a c t e r i a wa s n o t s i g n i f i -c a n t l y h i g h e r t h a n p r o d u c t i o n f r o m t h e s t e r i l e c o n t r o l s .S e v e r a l g r o w t h m e d i a w e r e t e s t e d i n a n a t t e m p t t o o b s e r v eg r e a t e r d e c h l o r i n a t i o n , b u t w i t h n e g a t i v e r e s u l t s . T h e p r e s -e n c e o r a b s e n c e o f N a 2 S O 4 ( 2 0 mM) o r p y r u v a t e ( 0 . 2 % ) i nt h e g r o w t h m e d i a h a d n o s i g n i f i c a n t e f f e c t o n d e c h l o r i n a t i o no f PC E b y t h e s e C l o s t r i d i a s p p .T h e h i g h e s t r a t e o f d e c h l o r i n a t i o n o f PC E w a s o b t a i n e du s i n g a p u r e - c u l t u r e d e h a l o g e n a t o r , s t r a i n D C B - 1 , w h i c hd e c h l o r i n a t e s 3 - c h l o r o b e n z o a t e ( 1 4 ) . T h i s b a c t e r i u m w a sp r e v i o u s l y i s o l a t e d f r o m a m e t h a n o g e n i c c o n s o r t i u m w h i c hu s e s 3 - c h l o r o b e n z o i c a c i d a s i t s s o l e c a r b o n a n d e n e r g ys o u r c e ( 1 7 ) . T h e r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E t o TCE b yt h e D C B - 1 i s o l a t e i s s h o w n i n F i g . 1 . N e i t h e r t h e d i s a p p e a r -a n c e o f PCE n o r t h e p r o d u c t i o n o f TCE w e r e o b s e r ve d i n t h ec o n t r o l ( n o n i n o c u l a t e d ) b o t t l e s . T h e d e c h l o r i n a t i o n o f PC Ep a r a l l e l e d t h a t o f 3 - c h l o r o b e n z o a t e , a l t h o u g h o t h e r e x p e r i -m e n t s ( d a t a n o t p r e s e n t e d ) h a v e s h o w n t h a t t h e p r e s e n c e o f3 - c h l o r o b e n z o a t e i s n o t r e q u i r e d f o r t h e d e c h l o r i n a t i o n o fP C E . T h e DCB-1 c u l t u r e wa s g r o w n o n 0 . 2 % p y r u v a t e a s ac a r b o n a n d e n e r g y s o u r c e . T h e r a t e o f PC E d e c h l o r i n a t i o nb y D C B - 1 d u r i n g a c t i v e g r o w t h w a s 2 . 3 4 n m o l o f TC E p e rmg o f p r o t e i n p e r d a y . T h e - r A t e o f d e c h l o r i n a t i o n o f PC E b yD C B - 1 w a s a p p r o x i m a t e l y 3 t o 5 t i m e s a s f a s t a s t h a to b s e r v e d f o r M e t h a n o s a r c i n a s p . a n d M. m a z e i , t h e n e x tt w o m o s t a c t i v e PC E d e c h l o r i n a t o r s t e s t e d ( T a b l e 1 ) . TC Ewa s r e c o v e r e d s t o i c h i o m e t r i c a l l y f r o m P C E . I n a d d i t i o n t ot h e d e c h l o r i n a t i n g o r g a n i s m , a c o cu l t u r e o f a b e n z o a t e -o x i d i z i n g b a c t e r i u m ( s t r a i n B Z - 2 ) a nd H 2 - c o n s u m i n g M e t h -a n o s p i r i l l u m s p . s t r a i n P M - 1 f r o m t h e s a m e c o n s o r t i u m ( 1 4 )w a s t e s t e d b u t g a v e n e g a t i v e r e s u l t s .S e v e r a l d e c h l o r i n a t i n g m e t h a n o g e n i c e n r i c h m e n t s w e r et e s t e d f o r t h e b i o c o n v e r s i o n o f PC E t o TCE. T h e s e e n r i c h -m e n t s w e r e o b t a i n e d f r o m a n a e r o b i c s e w a g e s l u d g e a n d h a v eb e e n d e s c r i b e d i n p r e v i o u s r e p o r t s ( T a b l e 2 ) . T h e e n r i c h -m e n t s t e s t e d w e r e g r o w n o n c h l o r o p h e n o l , c h l o r o b e n z o a t e ,c h l o r o c a t e c h o l , o r c h l o r o r e s o r c i n o l a s t h e s o l e a d d e d c a r b o ns o u r c e . E a c h e nr i c h m e nt h a d b e e n m a i n t a i n e d f o r a t l e a s t 2y e a r s a n d w a s a c t i v e l y d e c h l o r i n a t i n g t h e p r i m a r y s u b s t r a t e .T h e d e g r e e o f PC E d e c h l o r i n a t i o n v a r i e d g r e a t l y among t h e

e n r i c h m e n t s . T h e c h l o r o p h e n o l a n d c h l o r o b e n z o a t e e n r i c h -m e n t s s h o w e d s i g n i f i c a n t l y m o r e p r o d u c t i o n o f TC E t h a n d i dt h e s t e r i l e , a u t o c l a v e d c o n t r o l s . T h e maximum r a t e s o fd e c h l o r i n a t i o n f o r t h e 3 - c h l o r o p h e n o l a n d 3 - c h l o r o b e n z o a t ee n r i c h me n t s w e r e 3 6 0 a n d 3 4 0 n m o l o f TC E p e r l i t e r p e r d a y ,r e s p e c t i v e l y . T h e c h l o r o c a t e c h o l e n r i c h m e n t s h o w e d m i n i -m a l d e c h l o r i n a t i o n a c t i v i t y o n P C E . T h e 4 - c h l o r o r e s o r c i n o le n r i c h m e n t , w h i c h d e c h l o r i n a t e d i t s p r i m a r y s u b s t r a t ew i t h i n 4 d a y s , a l s o p r o d u c e d v e r y l i t t l e TCE.T h e r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E t o TC E b y t h e

_ _ - ---.-

E A c t i E

as O-Control0 0

PEadTE weeetatdwihtleeadquniidb a

0

FIg.1.e d u c t i v ee h o i t i o n o totCei a p e ac u l t u r e d c o o o f D t r i c u b a i t o n sw e r t ie r u a l u m i b o t e s e a l d a

a s h c o n r o l s . n R e o r t e da l u m e a s u a r e d b t i h - e r f o m e a n s ed u l i c a t e e x p r i m -C h o bnte w a meauedh-lt o G r a p h y w i d u t h i v ed e t c h l r n t i o n . o C oTC yapr

2 6 7 2 NOTES


3/4

V O L . 5 3 , 1 9 8 7TABLE 2 . R e d u c t i v e d e ch l o r i n at i o n o f PC E ( 1 p p m ) t o T C E b yd e c h l o r i n a t i n g m e t h a n o g e n i c e n r i c h m e n t s

Amt o f TC ED e c h l o r i n a t i n g T i m e ( w k ) b f o r m e d n t R a t ee n r i c h m e n t s Rte n r i c h m e n t " ( n m o l / 5 0 m l ) ( n m o l / l i t e r( r e f e r e n c e ) p e r d a y ) dP r i m a r y PC E C o n t r o l A c t i v es u b s t r a t e

2 - C h l o r o p h e n o l ( 5 ) 2 >2 2 . 5 7 8 . 7 ND3 - C h l o r o p h e n o l ( 5 ) 2 2 5 . 0 1 2 1 . 4 3 6 04 - C h l o r o p h e n o l ( 5 ) 2 >2 4 . 5 8 0 . 5 ND3 - C h l o r o b e n z o a t e ( 1 4 ) >1 1 6 . 0 1 2 0 . 0 3 4 04 - C h l o r o c a t e c h o l e 4 >4 2 . 8 9 . 5 ND4 - C h l o r o r e s o r c i n o l e 0 . 5 > > . 5 0 . 8 7 . 0 9 0a P r i m a r y s u b s t r a t e a d d e d a s s o l e c a r b o n a n d e n e r g y s o u r c e .b T i m e f o r > 9 0 % d i s a p p e a r a n c e o f p r i m a r y s u b s t r a t e o r P C E .c E a c h e n r i c h m e n t i n i t i a l l y c o n t a i n e d 2 0 t o 2 5 ppm o f p r i m a r y s u b s t r a t e .TC E w a s m e a s u r e d a f t e r d i s ap p e a ra n ce o f >90% o f e i t h e r p r i m a r y s u b s t r a t eo r P C E . R e s u l t s r e p o r t e d a r e t h e m e a n s o f d u p l i c a t e e x p e r i m e n t s . A u t o c l a v e de n r i c h m e n t s e r v e d a s t h e c o n t r o l .d Maximum r a t e o f PC E d e g r a d a t i o n d u r i n g 1 - w e e k p e r i o d . N D , N o td e t e r m i n e d .e B . Z . F a t h e p u r e , J . M . T i e d j e , a n d S . A . B o y d , E n vi r o n . T o xi c ol . C h e m . ,i n p r e s s .

3 - c h l o r o b e n z o a t e e n r i c h m e n t i s s h o w n i n F i g . 2 . T h i s e n r i c h -m e n t c o n s i s t s o f t h r e e p r i m a r y m e m b e r s : t h e d e c h l o r i n a t i n go r g a n i s m D C B - 1 , a b e nz o a t e d e g r a d e r ( B Z - 2 ) , a n d M e t h a -n o s p i r i l l u m s p . s t r a i n PM-1 ( 1 4 ) . T h e c o m p l e t e r e d u c t i o n o f2 2 0 n m o l o f PC E p er 5 0 m l o c c u r r e d w i t h i n 1 w e e k . I n p u r ec u l t u r e ( F i g . 1 ) , DCB-1 d e g r a d e d a p p r o x i m a t e l y 1 8 0 n m o l o fPC E p e r 5 0 m l i n 6 w e e k s . An i n t e r e s t i n g f e a t u r e i n t h e s ed a t a ( F i g . 2 ) w a s t h e t r a n s i e n t a c c u m u l a t i o n o f TCE, w h i c hr e a c h e d i t s maximum l e v e l a t 1 w e e k . A f t e r t h i s t i m e , t h ec o n c e n t r a t i o n o f TCE i n t h e a c t i v e e n r i c h m e n t d e c r e a s e d t ol e s s t h a n 2 n m o l / 5 0 m l . T h i s i s i n c o n t r a s t t o t h e DCB-1o r g a n i s m i n p u r e c u l t u r e , w h e r e TC E a c c u m u l a t e d a l m o s ts t o i c h i o m e t r i c a l l y o v e r a p e r i o d o f 7 w e e k s . A p p a r e n t l y ,u n d e r t h e m o r e f a v o r a b l e g r o w t h c o n d i t i o n s o f t h e m e t h a n o -

E0LO0E.-I

I -.E00E.-aw

Time ( w e e k s )F I G . 2 . R e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E t o TCE b y a methano-

g e n i c c o n s o r t i u m c o n t a i n i n g DCB-1. Th e consortium used 3 -c h l o r o b e n z o i c a c i d as i t s s o l e c a r b o n an d energy s o u r c e and wase n r i c h e d f r o m a n a e r o b i c sew a g e s l u d g e . Autoclaved e n r i c h m e n ts e r v e d a s t h e c o n t r o l . R e p o r t e d v a l u e s a re t h e means o f d u p l i c a t ee x p e r i m e n t s .

g e ni c c o n s o r t i u m , DCB-1 i s c a p a b l e o f d e g r a d i n g TC E a t as i g n i f i c a n t r a t e . T h e d e g r a d a t i o n o f PCE a l s o o c c u r s a t amuch f a s t e r r a t e i n t h e c o n s o r t i u m . R e c e n t r e s u l t s ( 6 ) h a v es u g g e s t e d t h a t H2 i s t h e s o u r c e o f r e d u c i n g e q u i v a l e n t s f o rt h e r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f 3 - c h l o r o b e n z o a t e b y DCB-1i n t h e c o n s o r t i u m ; H2 w a s o b t a i n e d f r o m t h e a c e t o g e n i co x i d at i o n o f b e n z o a t e . T h e o r i g i n o f r e d u c i n g e q u i v a l e n t sn e e d e d f o r t h e d e c h l o r i n a t i o n o f 3 - c h l o r o b e n z o a t e , o r o fPCE, b y DCB-1 i n m o n o c u l t u r e h a s n o t b e e n d e d u c e d .D i f f e r e n c e s i n t h e n a t u r e o f r e d u c i n g e q u i v a l e n t s u s e d f o rr e d u ct i v e d e ch l o r i n a t i o n ma y a c c o u n t f o r t h e e n h a n c e d r a t e so f PC E d e c h l o r i n a t i o n i n t h e c o n s o r t i u m .T h e b a c t e r i a t h a t s h o w e d s i g n i f i c a n t d e c h l o r i n a t i o n o fPC E w e r e t w o M e t h a n o sa r c i n a s t r a i n s a n d t h e d ec h l o r i na t -i n g o r g a n i s m D C B - 1 . Th e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E b yM e t h a n o s a r c i n a s p p . i s s i g n i f i c a n t b e c a u s e t h e s e b a c t e r i aa r e c o mm o n i n m e t h a n o g e n i c e n v i r o n m e n t s . T h e s e b a c t e r i ap o t e n t i a l l y i n c l u d e m i x e d m e t h a n o g e n i c b i o r e a c t o r s ( 2 , 1 8 ) ,w h i c h h a v e b e e n shown t o d e c h l o r i n a t e s e v e r a l c h l o r i n a t e ds o l v e n t s s u c h a s P C E , a n d a n a e r o b i c s l u d g e d i g e s t e r s . O t h e ri m p o r t a n t m e t h a n o g e n i c s i t e s a t w h i c h d e c h l o r i n a t i o n o fc h l o r i n a t e d e t h e n e s h a s b e e n o b s e r v e d a r e g r o u n d w a t e r s a n da q u i f e r s n e a r l a n d f i l l s ( 1 9 ) .T h e r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o f PC E h a s o b v i o u s v a l u e i nt h e r e m e d i a t i o n o f c o n t a m i n a t e d w a t e r s . O t h e r r e c e n t r e -s e a r ch h as s u g g e s t e d t h a t b i o - o x i d a t i o n o f c h l o r i n a t e d C 1a n d C 2 c o m p o u n d s b y m e t h a n o t r o p h s ma y a l s o b e a n i m p o r -t a n t d e t o x i c a t i o n p r o c e s s . A l i m i t a t i o n o f m e t h a n o t r o p h i co x i d a t i o n i s t h a t i t i s i n a c t i v e o n h i g h l y c h l o r i n a t e d com-p o u n d s l i k e P C E . I n a p r a c t i c a l s e n s e , t h i s i s a p r o b l e mb e c a u s e m o s t p o l l u t e d w a t e r s a r e c o n t a m i n a t e d w i t h am i x t u r e o f c h l o r i na t ed e t h en es , e t h a n e s , a n d m e t h a n e s ( 2 0 ) ,a n d r e m e d i a t i o n i s n o t a c h i e v e d u n l e s s a l l t h e s e t o x i c a n t s a r er e m o v e d . H o w e v e r , b y c o u p l i n g r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n o fh i g h l y c h l o r i n a t e d s t r u c t u r e s l i k e PC E w i t h b i o - o x i d a t i o n o fl e s s - c h l o r i n a t e d c o m p o u n d s l i k e T C E , i t ma y b e p o s s i b l e t oa c h i e v e c o m p l e t e d e c o n t a m i n a t i o n . T h e r a t e o f d e c h l o r i n a -t i o n o f PC E b y DCB-1 r e p o r t e d h e r e ( 2 . 3 4 n m o l / m g p e r d a y )c o m p a r e s f a v o r a b l y w i t h t h e r a t e o f b i o - o x i d a t i o n o f TC E ( 6 0n m o l / m g p e r d a y ) b y a m e t h a n e - u t i l i z i n g m i x e d c u l t u r eo b t a i n e d f r o m s e d i m e n t ( 8 ) . Even h i g h e r r a t e s o f PC Ed e c h l o r i n a t i o n ma y b e a c h i e v e d u n d e r m o r e - f a v o r a b l eg r o w t h c o n d i t i o n s , s u c h a s i n t h e m e t h a n o g e n i c e n r i c h m e n tc o n t a i n i n g DCB-1 ( F i g . 2 ) . T h e s e d a t a t a k e n t o g e t h e r s u g g e s tt h a t a t w o - s t a g e b i o l o g i c a l p r o c e s s c o n s i s t i n g o f a n a e r o b i cr e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n f o l l o w e d b y n i e t h a n o t r o p h i c b i o -o x i d a t i o n ma y b e u s e f u l a t a p r a c t i c a l l e v e l f o r d e c o n t a m i -n a t i n g w a t e r s c o n t a i n i n g c o m p l e x m i x t u r e s o f C 1 a n d C 2c h l o r i n a t e d s o l v e n t s s u c h a s PC E a n d T C E .

Th e DCB-1 c u l t u r e was o b t a i n e d f r o m J . M. T i e d j e , M.a c e t i v ' o r a n s f r o m J . G . F e r r y , M. m a z e i f r o m R . A . M a h , a n d D .d e s u l f u r i c a n s f r o m H . P e c k .T h i s s t u d y wa s s u p p o r t e d i n p a r t b y t h e U . S . G e o l o g i c a l S u r v e ya n d t h e M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y C e n t e r f o r E n v i r o n m e n t a l T o x i -c o l o g y .LITERATURE CITED

1 . B a r r i o - L a g e , G . , F . Z . P a r s o n s , R . S . N a s s a r , a n d P . A . L o r e n z o .1 9 8 5 . S e q u e n t i a l d e h a l o g e n a t i o n o f c h l o r i n a t e d e t h e n e s . E n -v i r o n . S c i . T e c h n o l . 2 0 : 9 6 - 9 9 .2 . B o u w e r , E . J . , a n d P . L . M c C a r t y . 1 9 8 3 . T r a n s f o r m a t i o n s o f 1 -a n d 2 - c a r b o n h a l o g e n a t e d a l i p h a t i c o r g a n i c c o m p o u n d s u n d e rm e t h a n o g e n i c c o n d i t i o n s . A p p I . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 5 : 1 2 8 6 -1 2 9 4 .3 . B o u w e r , E . J . , a n d P . L . M c C a r t y . 1 9 8 3 . T r a n s f o r m a t i o n s o fh a l o g e n a t e d o r g a n i c c o m p o u n d s u n d e r d e n i t r i f i c a t i o n c o n d i -

2 6 7 3


4/4

A P P L . E N V I R O N . M I C R O B I O L .

t i o n s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 5 : 1 2 9 5 - 1 2 9 9 .4 . B o u w e r , E . J . , B . E . R i t t m a n n , a n d P . L . M c C a r t y . 1 9 8 1 .A n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f h a l o g e n a t e d 1 - a n d 2 - c a r b o n o r g a n i cc o m p o u n d s . E n v i r o n . S c i . T e c h n o l . 1 5 : 5 9 6 - 5 9 9 .5 . B o y d , S . A . , a n d D . R . S h e l t o n . 1 9 8 4 . A n a e r o b i c b i o d e g r a d a t i o no f c h l o r o p h e n o l s i n f r e s h a n d a c c l i m a t e d s l u d g e . A p p l . E n v i r o n .M i c r o b i o l . 4 7 : 2 7 2 - 2 7 7 .6 . D o l f i n g , J . , a n d J . M. T i e d j e . 1 9 8 6 . H y d r o g e n c y c l i n g i n at h r e e - t i e r e d f o o d web g r o w i n g o n t h e m e t h a n o g e n i c c o n v e r s i o no f 3 - c h l o r o b e n z o a t e . F EMS M i c r o b i o l . E c o l . 3 8 : 2 9 3 - 2 9 8 .7 . F a t h e p u r e , B . Z . 1 9 8 3 . I s o l a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f a na c e t i c l a s t i c m e t h a n o g e n f r o m a b i o g a s d i g e s t e r . FEMS M i c r o -b i o l . L e t t . 1 9 : 1 5 1 - 1 5 6 .8 . F o g e l , M. M . , A . R . T a d d e o , a n d S . F o g e l . 1 9 8 6 . B i o d e g r a d a t i o no f c h l o r i n a t e d e t h e n e s b y a m e t h a n e - u t i l i z i n g m i x e d c u l t u r e .A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 5 1 : 7 2 0 - 7 2 4 .9 . G i b s o n , S . A . , a n d J . M. S u f l i t a . 1 9 8 6 . E x t r a p o l a t i o n o f b i o de g -r a d a t i o n r e s u l t s t o g r o u n d w a t e r a q u i f e r s : r e d u c t i v e d e h a l o g e n a -t i o n o f a r o m a t i c c o m p o u n d s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 5 2 :6 8 1 - 6 8 8 .1 0 . H o u , C . T . , P . P a t e l , A . I . L a s k i n g , a n d N . B a r n a b e . 1 9 7 9 .M i c r o b i a l o x i d a t i o n o f g a s e o u s h y d r o c a r b o n s : e p o x i d a t i o n o f C 2t o C 4 n - a l k e n e s b y m e t h y l o t r o p h i c b a c t e r i a . A p p l . E n v i r o n .M i c r o b i o l . 3 8 : 1 2 7 - 1 3 4 .1 1 . J a g n o w , G . , K . H a i d e r , and P . - C . E l l w a r d t . 1 9 7 7 . A n a e r o b i cd e c h l o r i n a t i o n a n d d e g r a d a t i o n o f h e x a c h l o r o c y cl o h e x a ne i s o -m e r s b y a n a e r o b i c a n d f a c u l t a t i v e a n a e r o b i c b a c t e r i a . A r c h .M i cr o b i o l . 1 1 5 : 28 5 - 29 2 .1 2 . K l e o p f e r , R . D . , D . M. E a s l e y , B . B . H a s s , J r . , a nd T . G . D e i h l .1 9 8 5 . A n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f t r i c h l o r o e t h y l e n e i n s o i l .

E n v i r o n . S c i . T e c h n o l . 1 9 : 2 7 7 - 2 8 0 .1 3 . S h e l t o n , D . R . , a n d J . M. T i e d j e . 1 9 8 4 . G e n e r a l m e t h o d f o rd e t e r m i n i n g a n a e r o b i c b i o d e g r a d a t i o n p o t e n t i a l . A p p l . E n v i r o n .M i c r o b i o l . 4 7 : 8 5 0 - 8 5 7 .1 4 . S h e l t o n , D . R . , a n d J . M. T i e d j e . 1 9 8 4 . I s o l a t i o n a n d p a r t i a lc h a r a c t e r i z a t i o n o f b a c t e r i a i n a n a n a e r o b i c c o n s o r t i u m t h a tm i n e r a l i z e s 3 - c h l o r o b e n z o i c a c i d . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 8 :8 4 0 - 8 4 8 .1 5 . S o w e r s , K . R . , S . F . B a r o n , a n d J . G . F e r r y . 1 9 8 4 . M e t h -a n o s a r c i n a a c e t i v o r a n s s p . n o v . , a n a c e t o t r o p h i c m e t h a n e -p r o d u c i n g b a c t e r i u m i s o l a t e d f r o m m a r i n e s e d i m e n t s . A p p l .E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 7 : 9 7 1 - 9 7 8 .1 6 . S t r a n d , S . E . , a n d L . S h i p p e r t . 1 9 8 6 . O x i d a t i o n o f c h l o r o f o r m i na e r o b i c s o i l e x p o s e d t o n a t u r a l g a s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l .5 2 : 2 0 3 - 2 0 5 .1 7 . S u l f i t a , J . M . , A . H o r o w i t z , D . R . S h e l t o n , a n d J . M. T i e d j e .1 9 8 2 . D e h a l o g e n a t i o n : a n o v e l p a t h w a y f o r t h e a n a e r o b i c b i o -d e g r a d a t i o n o f h a l o a r o m a t i c c o m p o u n d s . S c i e n c e 2 1 8 : 1 1 1 5 -1 1 1 7 .1 8 . V o g e l , T . M . , a n d P . L . M c C a r t y . 1 9 8 5 . B i o t r a n s f o r m a t i o n o ft e t r a c h l o r o e t h y l e n e t o t r i c h l o r o e t h y l e n e , d i c h l o r o e t h y l e n e , v i -n y l c h l o r i d e , a nd c a r b o n d i o x i d e u n d e r m e t h a n o g e n i c c o n d i -t i o n s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 9 : 1 0 8 0 - 1 0 8 3 .1 9 . W i l s o n , B . H . , G . B . S m i t h , a n d J . F . R e e s . 1 9 8 6 . B i o t r a n s f o r m a -t i o n s o f s e l e c t e d a l k y l b e n z e n e s a n d h a l o g e n a t e d a l i p h a t i c h y -d r o c a r b o n s i n m e t h a n o g e n i c a q u i f e r m a t e r i a l : a m i c r o c o s ms t u d y . E n v i r o n . S c i . T e c h n o l . 2 0 : 9 9 7 - 1 0 0 2 .2 0 . W i l s o n , J . T . , a n d B . H . W i l s o n . 1 9 8 5 . B i o t r a n s f o r m a t i o n o ft r i c h l o r o e t h y l e n e i n s o i l . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . 4 9 : 2 4 2 -2 4 3 .

2 6 7 4 NOTES

anaerobic bacteria that dechlorinate pce

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