Assessing the diversity of microbial assemblages and their bioremediation potential of chronically contaminated marine sediments

Chemical contamination of coastal marine sediments is a widespread phenomenon and represents a major concern for biodiversity and ecosystem health. Bioremediation is an environmental-friendly strategy gaining increasing attention for its potential to clean-up contaminated marine sediments. In this PhD thesis, first of all, I provided an overview of the current knowledge and perspectives on the bioremediation of marine sediments, based on literature review. Then I assessed the diversity of microbial assemblages in different chronically contaminated sediments of the Bagnoli-Coroglio, Mar Piccolo of Taranto and Falconara Marittima areas (all of them included in the list of Sites of National Remediation Interest) and their relationships with the level and typology of chemical pollutants. I tested the efficiency of biostimulation strategies based on inorganic nutrient addition and bioaugmentation approaches using selected bacterial or fungal consortia or both, previously isolated and identified, on PAH degradation in sediments displaying different contamination level and I investigated changes in metal partitioning and microbial diversity due to biotreatments. Results presented here suggest that chemical contaminants can have an important role in shaping prokaryotic diversity, potentially by selecting tolerant/resistant microbial taxa. Sediments of Falconara Marittima host microbial taxa with a high bioremediation capacity toward PAHs. These microbial taxa, including both bacteria and fungi, once isolated and growth on selected media, can be effective for the bioremediation of Bagnoli sediments highly contaminated with PAHs. Despite findings reported in this study do not allow disentangling the relative importance of the allochthonous vs. autochthonous microbial taxa on the biodegradation of PAHs, they provide new insights on bacterial-fungal interactions occurring during bioremediation of highly contaminated marine sediments. Overall, these results suggest that biotreatments based on selected bacterial and/or fungal consortia or a combination of both could be an effective strategy to significantly reduce in a relatively short time PAH contamination of marine sediments, possibly leading to alternative management options compared to dredging and landfill disposal.

Il fenomeno della contaminazione chimica dei sedimenti marini costieri è molto diffuso e rappresenta una grande preoccupazione per il benessere della biodiversità e dell’ecosistema. Il biorisanamento è una strategia ecocompatibile che sta ottenendo sempre più attenzione grazie al suo potenziale di ripulire sedimenti marini contaminati. In questa tesi di dottorato, prima di tutto, ho fornito una panoramica delle attuali conoscenze e prospettive sul biorisanamento di sedimenti marini, presenti in letteratura. Quindi ho valutato la diversità degli assemblaggi microbici in diversi sedimenti cronicamente contaminati delle aree di Bagnoli-Coroglio, Mar Piccolo di Taranto e Falconara Marittima (tutti inclusi nell'elenco dei Siti di Interesse Nazionale, SIN) e le loro relazioni con il livello e la tipologia degli inquinanti chimici. Ho testato l'efficienza delle strategie di biostimolazione nella degradazione degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) in sedimenti a diverso livello di contaminazione sulla base di approcci di aggiunta di nutrienti inorganici e bioaumento utilizzando i singoli consorzi batterici o fungini o entrambi, precedentemente isolati e identificati; ho inoltre studiato i cambiamenti nella ripartizione dei metalli e nella diversità microbica dovuti ai biotrattamenti. I risultati qui presentati suggeriscono che i contaminanti chimici possono avere un ruolo importante nel modellare la diversità procariotica, potenzialmente selezionando taxa microbici tolleranti/resistenti. I sedimenti di Falconara Marittima ospitano taxa microbici con un'elevata capacità di biobonifica verso gli IPA. Questi taxa microbici, batteri e funghi, una volta isolati e cresciuti su terreni specifici, possono essere efficaci per il biorisanamento dei sedimenti di Bagnoli altamente contaminati da IPA. Nonostante i risultati riportati in questo studio non consentano di distinguere tra l'importanza relativa dei taxa microbici alloctoni e autoctoni sulla biodegradazione degli IPA, forniscono nuove conoscenze sulle interazioni batterico-fungine che si verificano durante il biorisanamento dei sedimenti marini altamente contaminati. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che i biotrattamenti basati su consorzi batterici e/o fungini selezionati o su una combinazione di entrambi potrebbero costituire una strategia efficace per ridurre significativamente, in tempi relativamente brevi, la contaminazione da IPA dei sedimenti marini, portando possibilmente a opzioni di gestione alternative rispetto al dragaggio e allo smaltimento in discarica.