Microbial communities of the Eastern Mediterranean and their hydrocarbon degradation capability
Authors: Χαραλάμπους Γεωργία 
Published: August 2024

Η Ανατολική Μεσόγειος (ΑΜ) είναι μια ημίκλειστη θαλάσσια λεκάνη με πολύπλοκες ωκεάνιες διεργασίες. Η αυξημένη θερμοκρασία στα βαθιά της νερά, τα υψηλά επίπεδα αλατότητας και οι υπερολιγοτροφικές συνθήκες είναι μερικά από τα μοναδικά χαρακτηριστικά της ΑΜ τα οποία επηρεάζουν την σύνθεση και τις μεταβολικές διεργασίες των μικροβιακων κοινοτήτων. Τις τελευταίες δεκαετίες, αυτή η περιοχή έχει αποκτήσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των ερευνών-εξορύξεων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Μεγάλα υποθαλάσσια κοιτάσματα βρίσκονται ήδη υπό εκμετάλλευση σε βάθη ~1500 μέτρων από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ άλλες περιοχές, σε ακόμα μεγαλύτερα βάθη, έχουν δεσμευτεί και βρίσκονται ήδη υπό εξερεύνηση (Νότια-Νοτιοδυτικά της Κρήτης). Στον απόηχο του ατυχήματος του Deepwater Horizon (DWH) το 2010, πραγματοποιήθηκαν πολλές μελέτες βιοαποδόμησης πετρελαίου στα βαθιά νερά παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την τύχη των υδρογονανθράκων (Υ/Α), τα μοτίβα μικροβιακής διαδοχής και ανέδειξαν σημαντικά είδη ως προς την αποδόμηση πετρελαίου. Ένα από τα σημαντικότερα διδάγματα του ατυχήματος DWH είναι η ανάγκη διεξαγωγής πειραμάτων αποδόμησης Υ/Α στις περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής ενδιαφέροντος προκειμένου να καταγράφονται ρεαλιστικά δεδομένα που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την δημιουργία αποτελεσματικών πρωτοκόλλων βιοαποκατάστασης. Οι συνεχιζόμενες δραστηριότητες στην ΑΜ, οι οποίες προχωρούν σε ολοένα και βαθύτερα ύδατα με αυξανόμενες τεχνικές δυσκολίες, ενισχύουν τον κίνδυνο για ένα ατύχημα έκλυσης υδρογονανθράκων με πολλές περιβαλλοντικές και οικονομικές συνέπειες για τις γύρω χώρες. Αυτή η διδακτορική διατριβή επιχειρεί να αξιολογήσει την μικροβιακή απόκριση και την ικανότητα αυτοεξυγίανσης μέσω φυσικής εξασθένησης σε ένα ενδεχόμενο ατύχημα απελευθέρωσης υδρογονανθράκων στα βαθιά νερά της ΑΜ. Για το σκοπό αυτό, ανακτήθηκε θαλασσινό νερό από τη στήλη νερού της ΑΜ, μέχρι τα 1000 m, σε σταθμούς νότια της Κρήτης (Κρητικό Πέρασμα) με τη χρήση φιαλών Niskin (αποσυμπιεσμένο) και με συσκευή δειγματοληψίας υψηλής πίεσης (διατήρηση in situ πίεσης). Πειράματα βιοαποδόμησης υδρογονανθράκων διεξήχθησαν σε φλάσκες Erlenmeyer και σε δοχεία ή σε βιοαντιδραστήρα υψηλής πίεσης για επωάσεις στα 0,1 MPa και 10 MPa αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας ελαφρύ Ιρανικό αργό πετρέλαιο ως πηγή άνθρακα. Δεδομένα σχετικά με την ανάλυση μικροβιακής κοινότητας και τους ρυθμούς αποδόμησης υδρογονανθράκων παρήχθησαν μέσω αλληλούχισης υψηλής απόδοσης και ανάλυσης αέριας χρωματογραφίας (GC-MS).Πριν από οποιαδήποτε πειράματα έκθεσης σε υδρογονάνθρακες, η σύνθεση της φυσικής μικροβιακής κοινότητας και οι συσχετίσεις μεταξύ των ειδών αναλύθηκαν σε όλη τη στήλη του νερού σε αυτήν την θαλάσσια περιοχή που δεν έχει μελετηθεί σχεδόν καθόλου ενώ καταγράφηκαν και οι συγκεντρώσεις υπόβαθρου γνωστών αποδομητών Υ/Α. Ενδιαφέρον αποτελεί το γεγονός πως, παρόλο που δεν υπάρχουν φυσικές πηγές διαρροής Υ/Α κοντά στους σταθμούς δειγματοληψίας, εντοπίστηκαν αξιοσημείωτες αφθονίες μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη βιοαποδόμηση του πετρελαίου ειδικά στα βαθύτερα ύδατα. Το είδος Alcanivorax εντοπίστηκε ανάμεσα στους σημαντικούς κόμβους του δικτύου συσχετίσεων στα βαθιά νερά της ΑΜ.Η σύγκριση ενός πειράματος αποδόμησης Υ/Α σε συνθήκες in situ θερμοκρασίας μεταξύ επιφανειακών και βαθιών μικροβιακών κοινοτήτων της ΑΜ έδειξε ότι η βαθιά κοινότητα αποκρίθηκε ταχύτερα από την επιφανειακή στη μόλυνση του πετρελαίου παρά την επώαση της σε χαμηλότερη θερμοκρασία (14 ºC). Επιπλέον, η επώαση της βαθιάς μικροβιακής κοινότητας στους 25 ºC (για άμεση σύγκριση με την επιφανειακή) δεν επηρέασε τα επίπεδα βιοαποδόμησης πετρελαίου υποδηλώνοντας μια εγκλιματισμένη κοινότητα με ικανότητα βιοαποδόμησης Υ/Α στη χαμηλότερη in situ θερμοκρασία. Η ανάλυση των μοτίβων μικροβιακής διαδοχής ανέδειξε διαφορετικά είδη σε κάθε πειραματική επεξεργασία. Στη βαθιά κοινότητα που επωάστηκε στους 14 ºC, κυριάρχησε αρχικά το γένος Vibrio που αντικαταστάθηκε αργότερα από το Alcanivorax, ενώ η επώαση στους 25 ºC οδήγησε στην κυριαρχία των Pseudomonas και Pseudoalteromonas στη βαθιά κοινότητα. Από την άλλη, η επιφανειακή κοινότητα εμπλουτίστηκε στα γένη Thalassospira, Halomonas, Alteromonas και Idiomarina.Η αποτελεσματικότητα της μικροβιακής κοινότητας από τα βαθιά νερά της ΑΜ στη βιοεξυγίανση υδρογονανθράκων, ελέγχθηκε περαιτέρω σε in situ συνθήκες υψηλής πίεσης. Ειδικότερα, αξιολογήθηκε ο αντίκτυπος της αποσυμπίεσης κατά τη δειγματοληψία από τα βαθιά ύδατα όπως και σε πειράματα εμπλουτισμού για την απομόνωση αποδομητών πετρελαίου. Η αποσυμπίεση κατά τη δειγματοληψία οδήγησε σε δραστική μείωση της μικροβιακής ποικιλότητας από τα βαθιά νερά. Επιπλέον, η υποβολή των εγκλιματισμένων κοινοτήτων στο μέσο ONR7 για τον εμπλουτισμό και την απομόνωση αποδομητών Υ/Α προκάλεσε περαιτέρω μείωση της ποικιλομορφίας της κοινότητας και την κυριαρχία των Pseudoalteromonas, Halomonas, Thalassomonas και Alcanivorax σε όλες τις πειραματικές επεξεργασίες. Η εφαρμογή του διασκορπιστικού μέσου δεν είχε σημαντική επίδραση στη μικροβιακή σύνθεση της κοινότητας σε οποιοδήποτε στάδιο της πειραματικής διαδικασίας. Η απώλεια βιοποικιλότητας επηρέασε την ικανότητα της κοινότητας ως προς την αποδόμηση των πιο ανθεκτικών ενώσεων του πετρελαίου. Στέλεχος του είδους Alcanivorax venustensis (πρόσφατα τροποποιήθηκε σε Alloalcanivorax venustensis) που κυριαρχούσε στις κοινότητες απομονώθηκε στο τέλος του πειράματος.Επιπλέον, διεξήχθη ένα πείραμα εξομοίωσης πλουμίου υδρογονανθράκων στη βαθιά θάλασσα σε in situ συνθήκες της ΑΜ για την διερεύνηση των μικροβιακων ειδών που αποκρίνονται πρώτα στην παρουσία πετρελαίου στη βαθιά θάλασσα καθώς και των μοτίβων διαδοχής απουσία και παρουσία διασκορπιστικού μέσου. Τα γένη που ανήκουν στα γ-Proteobacteria (Oleispira, Thalassomonas, Thalassotalea, Ralstonia) ήταν μεταξύ των πρώτων που αποκρίθηκαν στη μόλυνση, αντίστοιχα με τις μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στον απόηχο του DWH. Στη συνέχεια, η κοινότητα εμπλουτίστηκε στα είδη Alcanivorax και Methylophaga, ενώ έπειτα ακολούθησε η ενίσχυση στα γένη Marinobacter και Thalassospira στις όψιμες φάσεις της έκθεσης στο αργό πετρέλαιο. Η παρουσία του διασκορπιστικού μέσου ευνόησε μικροοργανισμούς που ανήκουν στο φύλο Bacteroidota μαζί με τα γένη Hyphomonas και Alcanivorax, με το τελευταίο να κυριαρχεί στην κοινότητα.Συμπερασματικά, οι θαλάσσιες περιοχές ενδιαφέροντος για εξερεύνηση και εκμετάλλευση πετρελαίου και φυσικού αερίου (νότια της Κρήτης) παρουσιάζουν φυσική παρουσία μικροβιακών ειδών που σχετίζονται με την απομάκρυνση υδρογονανθράκων ειδικά στα βαθιά νερά. Αυτό θα μπορούσε να ερμηνεύσει και το γεγονός πως η βαθιά μικροβιακή κοινότητα αποκρίνεται ταχύτερα στη ρύπανση πετρελαίου ακόμα και σε συνθήκες χαμηλότερης θερμοκρασίας από την αντίστοιχη επιφανειακή κοινότητα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης υποδηλώνουν τον σημαντικό ρόλο του γένους Alcanivorax στη βιοξυγίανση υδρογονανθράκων στη βαθιά θάλασσα της Ανατολικής Μεσογείου μαζί με τα Oleispira και Marinobacter. Συνολικά, αυτή η διατριβή υπογραμμίζει τη σημασία της διατήρησης των περιβαλλοντικών συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας τόσο κατά τη δειγματοληψία όσο και κατά την διεξαγωγή πειραμάτων με μικροβιακές κοινότητες από τα βαθιά νερά.