Understanding of Dechlorination Performance Using DNA Biomarkers in a TCE Contaminated Site

Abstract

Chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAHs) are the major contaminants in the soil and groundwater environment, and require an exceedingly long and complicated process to remediate and restore. Bioremediation is a highly effective method to remediate toxic PCE into non-toxic ethene in aquifers contaminated with chlorinated aliphatic hydrocarbons. However, studies on the dechlorination performance of re-contaminated aquifers on a field scale have been limited. In this study, we investigated the effect of re-contamination and bioremediation of contaminated aquifers on the dechlorination performance of the site by utilizing DNA biomarkers such as 16S rRNA and dechlorination functional genes in an industrial complex contaminated with PCE/TCE. As a result, dechlorinating microorganisms were found in most of the samples except for the newly-contaminated site, and the relative abundance of some dechlorinating microorganisms increased in the re-contaminated sites. Additionally, in the PCoA analysis using this result, it was confirmed that re-contamination and dechlorination of chlorinated ethene had a significant effect on the microbial community structure. Dehalococcoides, the only dechlorinating microorganism that degrades PCE and TCE into ethene, was not detected in 16S rRNA gene-based microbial community analysis, but a reliably detected in qPCR analysis using functional genes. Among the dechlorination functional genes, pceA and tceA appeared at high concentrations similar to Dehalococcoides 16S rRNA, and vcrA and bvcA showed low concentrations or below the detection limit, confirming that in-situ dechlorination was concentrated only in the upper stage. In addition, re-contamination did not increase the relative abundance of dechlorinating microorganisms and the quantitative amounts of dechlorinating functional genes, but it is likely that continuous PCE/TCE contamination contributed to keeping the dechlorinating performance constant. Through this study, it was confirmed that contamination can be quickly diagnosed and biodegradation can be monitored in PCE/TCE contaminated groundwater using DNA-based biomarkers. Using these biomarkers, it is believed that it will be possible to effectively establish a remediation plan and monitoring strategy for diagnosing the contamination and dechlorination status of chlorine-based aliphatic hydrocarbons in the field.|염소계 지방족 탄화수소물(Chlorinated aliphatic hydrocarbon)은 토양지하수 환경의 주요 오염물질이며, 정화 및 복원에는 매우 길고 복잡한 과정을 요구한다. 생물학적 정화는 염소계 지방족 탄화수소로 오염된 대수층에서 독성의 PCE를 무독성의 ethene으로 분해하는 매우 효과적인 방법이다. 그러나, 현장 규모에서 재오염된 대수층의 탈염소능에 대한 연구는 제한적으로 수행이 되고 있다. 본 연구에서는 PCE/TCE로 오염된 산업단지에서 16S rRNA 및 탈염소화 기능성 유전자와 같은 DNA 바이오마커를 활용하여 오염된 대수층의 재오염 및 생물학적 정화가 현장의 탈염소능에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 탈염소 미생물은 신규 오염 지역을 제외한 대부분의 샘플에서 발견되었으며, 재오염 지역에서 몇몇 탈염소 미생물의 상대적 풍부도가 증가하였다. 추가적으로 본 결과를 이용한 PCoA 분석에서 현장의 재오염 및 염소화 에텐의 탈염소화는 미생물 군집 구조에 유의미한 영향을 미침을 확인하였다. PCE와 TCE를 ethene으로 분해하는 유일한 탈염소 미생물인 Dehalococcoides는 16S rRNA 유전자 기반의 미생물 군집분석에서는 검출되지 않았지만, 기능성 유전자를 활용한 qPCR 분석에서는 상대적으로 높은 양이 검측되었다. 탈염소 기능성 유전자 중 pceA와 tceA는 Dehalococcoides 16S rRNA와 비슷한 높은 농도, vcrA와 bvcA는 적은 농도 혹은 검출한계 이하로 나타났으며 이로써 현장의 탈염소화가 상위 단계에만 집중되어 있음을 확인하였다. 또한 재오염은 탈염소 미생물의 상대적 풍부도와 탈염소 기능성 유전자의 정량적 양을 증가시키지 않았지만, 이는 지속적인 PCE/TCE 오염이 탈염소 능력을 일정하게 유지하는데 기여했을 가능성이 높은 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 DNA 기반의 바이오마커를 활용하여 PCE/TCE 오염 지하수에서 신속하게 오염을 진단하고 생분해능을 모니터링할 수 있음을 확인하였다. 이러한 바이오마커를 활용하여 현장에서 염소계 지방족 탄화수소물의 오염과 탈염소화 상태진단에 대한 정화계획과 모니터링 전략을 효과적으로 세울 수 있을 것으로 판단된다.