Investigation of 2,4-d biochemical degradation capabilities of bacteria isolated from 2,4-dichlorophenoxy acetic acid (2,4-d) applied soil

Abstract

2,4-dichlorophenoxy acetic acid (2,4-D) is a selective herbicide from the phenoxyacids group. 2,4-D residues in soil are known to have harmful effects on environment and human health. One of the most important factors in dealing with these problems is soil bacteria that provide herbicides as a nutrient and break down. In this study, it was aimed to determine the degradation potential of this herbicide by the bacteria isolated from an agricultural field treated with 2,4-D in Balıkesir region through spectrophotometric tests and HPLC. It was initially aimed to identify these bacteria at the molecular level by protein analysis. In order to achieve these goals; bacterial colonies obtained by serial selection were grown in the media containing three different concentrations (0.1 g/L, 0.5 g/L) of 2,4-D as the only carbon source. Growth rates of the bacteria were monitored on the 14th day, and the amount of 2,4-D remaining in the medium was measured at the same time in order to understand the degradation ability of the bacteria. According to the results obtained; no bacteria capable of degrading 2,4-D were found, however, it was observed that Acinetobacter baumannii, Acinetobacter calcoaceticus and Stenotrophomonas sp. bacteria were able to grow in the medium containing 2,4-D.

Keywords

• 2.4 D
• soil bacteria
• Microbial degradation

2,4-Diklorofenoksi asetik asit (2,4-D) uygulanmış topraktan izole edilen bakterilerin 2,4-d biyokimyasal yıkım kabiliyetlerinin incelenmesi

Abstract

2,4-diklorofenoksi asetik asit (2,4-D), fenoksi asitler grubuna dahil olan, seçici bir herbisittir. Topraktaki 2,4-D kalıntılarının çevre ve insan sağlığına zararlı etkileri olduğu bilinmektedir. Bu sorunlar ile baş etmedeki en önemli faktörlerden birisi herbisitleri besin olarak kullanıp yıkımını sağlayan toprak bakterileridir. Bu çalışmada, Balıkesir bölgesinde, 2,4-D ile muamele edilmiş tarım arazisinden izole edilen bakterilerin, bu herbisiti yıkım potansiyellerinin spektrofotometrik testler ve HPLC yardımıyla belirlenmesi hedeflenmiştir. Öncelikle, bu bakterilerin protein analizi yöntemiyle moleküler düzeyde tanımlanması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda; seri seçilimlerle elde edilen bakteri kolonilerinin, karbon kaynağı olarak yalnızca iki farklı derişimde (0.1g/L, 0.5g/L) 2,4-D içeren besiyerinde yetişmeleri sağlanmıştır. Yetiştirilen bakterilerin büyüme hızları 14. günde takip edilmiş ve bakterilerin yıkım yeteneklerinin anlaşılması için besi ortamında kalan 2,4-D miktarları aynı süre sonunda ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre bu çalışmada 2,4-D’yi yıkabilen bir bakteri bulunamamış, ancak Acinetobacter baumannii, Acinetobacter calcoaceticus ve Stenotrophomonas sp. bakterilerinin 2,4-D’li ortamda büyüyebildikleri tespit edilmiştir.

Keywords

• 2.4-D
• toprak bakterileri
• mikrobiyal yıkım

References

1. Başaran, MS, Serim, AT (2010) Herbisitlerin Toprakta Parçalanması. Selçuk Tarım ve Gıda Bilimleri Dergisi 24 (2): 54-61
2. Boivin A, Amellal S, Schiavon M, Genuchten MT (2005) 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) sorption and degradation dynamics in three agricultural soils. Environmental Pollution 138: 92-99
3. Dal T, Dal MS, Ağır İ (2012) Acinetobacter baumannii’de Antibiyotik Direnci ve AdeABC Aktif Pompa Sistemleri: Literatürün Gözden Geçirilmesi. Van Tıp Dergisi 19 (3): 137-148
4. Don RH, Pemberton JM (1981) Properties of Six Pesticide Degradation Plasmids Isolated from Alcaligenes paradoxus and Alcaligenes eutrophus. Journal of Bacteriology 681-686
5. Doyuran S (2012) Çeşitli Klinik Örneklerden Stenotrophomonas Maltophilia İzolasyonu ve Antibiyotik Dirençliliğinin Belirlenmesi. Adnan Menderes Üniversitesi Sağlık Bilimler Enstitüsü Mikrobiyoloji Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 60 s
6. Fulthorpe R, Mcgowan C, Maltseva OW, Holben WE, Tiedje JM (1995) 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid-Degrading Bacteria Contain Mosaics of Catabolic Genes. Applied and Environmental Microbiology 60(9): 3274–3281
7. Güngör B (2007) 2,4-Diklorofenoksiasetik Asitin (2,4-D) İmmobilize Pseudomonas putida ile Biyokimyasal Yıkımının İncelenmesi. İzmir Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyokimya Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 101 s
8. Güven S, Demirel Zorba NN (2013) Genel Mikrobiyoloji ve Laboratuvar Kılavuzu. NOBEL yayınları, Ankara

9. In-Hyun P, Jong-Ok K (2003) Isolation and Characterization of 4-(2,4-Dichlorophenoxy) Butyric Acid-Degrading Bacteria from Agricultural Soils. Journal of Microbiology and Biotechnology 13(2): 243-250
10. Kaya D (2016) Pestisitlerin (Sentetik, Doğal ve Biyopestisit) Mikrobiyal Floraya Etkisi. Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 115 s
11. Kumar A, Trefault N, Olaniran AO (2016) Microbial degradation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid: Insight into the enzymes and catabolic genes involved, their regulation and biotechnological implications. Critical Reviews in Microbiology 42(2): 194-208
12. Lal B, Khanna S (1996) Degradation of Crude Oil by Acinetobacter Calcoaceticus and Alcaligenes Odorans. Journal of Applied Bacteriology 81: 355-362
13. Oliveira KO, Silva ARM, Silva BFDA, Milagre HMS, Milagre CDF (2018) Insights into The Microbial Degradation Pathways of The Ioxyniloctanoate Herbicide. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology 13: 258-264
14. Özdaş E, Utku A, Uyanıkgil Y, Baka M, Yavaşoğlu A, Biçer S, Ergen G (2006) Bir Herbisit Olan 2,4-D (Diklorofenoksiasetik Asit)’in Sıçanlarda Testis Dokusu Üzerine Etkisi. Ege Tıp Dergisi 45(3): 169-174
15. Palanisamy N, Ramya J, Kumar S, Vasanthi NS, Chandran P, Khan S (2014) Diesel Biodegradation Capacities of Indigenous Bacterial Species Isolated from Diesel Contaminated Soil. Journal of Environmental Health Science & Engineering 12: 142
16. Percival SL, Williams DW (2014) Acinetobacter. (Microbiology of Waterborne Diseases, Elsevier, Hollanda: Ed. Percival S, Yates MV, Williams D, Chalmers R, Gray N) 35-48
17. Santacruz G, Bandala ER, Torres LG (2005) Chlorinated Pesticides (2,4-D and DDT) Biodegradation at High Concentrations Using Immobilized Pseudomonas Fluorescens. Journal of Environmental Science and Health 40(4): 571-583
18. Sayyed RZ, Wani SJ, Shaikh SS, Al-Harthi HF, Syed A, El-Enshasy HA (2019) Thermophilic PHB Depolymerase of Stenotrophomonas Sp., an Isolate from The Plastic Contaminated Site is Best Purified On Octyl-Sepharose CL-4B. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/618967v1
19. Silva TM, Stets MI, Mazzetto AM, Andrade FD, Pileggi SAV, Fávero PR, Cantú MD, Carrilho E, Carneiro PIB, Pileggi M (2007) Degradation of 2,4-D Herbicide By Microorganisms Isolated From Brazilian Contaminated Soil. Brazilian Journal of Microbiology 38: 522-525
20. Smith-Grenier LL, Adkins A (1996) Isolation and Characterization of Soil Microorganisms Capable of Utilizing The Herbicide Diclofop-Methyl as a Sole Source of Carbon and Energy. Canadian Journal of Microbiology 42: 221-226
21. Vangnai AS, Petchkroh W (2007) Biodegradation of 4-Chloroaniline by Bacteria Enriched from Soil. FEMS Microbiology Letters 268: 209-216
22. Xia ZY, Zhang L, Zhao Y, Yan X, Li SP, Gu T, Jiang JD (2017) Biodegradation of The Herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid by a New Isolated Strain of Achromobacter sp. LZ35. Current Microbiolog 74(2): 193-202
23. Uysal A, Kurt Ş, Soylu S, Soylu Em, Kara M (2019) Yaprağı Yenen Sebzelerdeki Mikroorganizma Türlerinin MALDI-TOF MS (Matris Destekli Lazer Desorpsiyon/İyonizasyon Uçuş Süresi Kütle Spektrometresi) Tekniği Kullanılarak Tanılanması. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi 29(4)
24. Yakar S (2014) Muğla Bölgesinde Yaygın Kullanılan Bazı İnsektisitlerin Domates (L. Esculentum Mill.) Bitkisinde Lipit Peroksidasyon ve Antioksidatif Sistem Üzerine Etkileri, Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyoloji Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 128 s
25. Zhou H, Xiang J, Zhao Y, Chen Y (2018) Improvements of Pd/Fe Nanoparticles by Ethylenediamin Edisuccinicacid for 2,4-D Dechlorination. Separation and Purification Technology 207: 377-386
26. Zhao H, Tao K, Zhu J, Liu S, Gao H, Zhou X (2015) Bioremediation Potential of Glyphosate-Degrading Pseudomonas Spp. Strains Isolated from Contaminated Soil. The Journal of General and Applied Microbiology 61: 165-170
27. Zwieten VL, Feng L, Kennedy LR (1995) Colonisation of Seedling Roots by 2,4-D Degrading Bacteria: A Plant-Microbial Model. Acta Biotechnol. 15: 27-39