Isolation of hydrocarbonoclastic actinobacteria, biosurfactants production, and bioremediation of hydrocarbon contaminated soils

Abstract

Hydrocarbons contamination stemming from petrochemical industry activities poses a substantial environmental challenge. Utilizing microorganisms for bioremediation presents a practical approach to transform these compounds into less hazardous forms, thereby reducing reliance on chemicals and energy consumption. This investigation, which assessed 25 strains of hydrocarbonoclastic actinomycetes isolated from oil-contaminated soils in southeastern Algeria, aimed to produce biosurfactants and degrade polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The 7SDS strain emerged as a standout candidate for its biosurfactant production, exhibiting superior performance in emulsification, oil displacement, lipase, and hemolytic activities, alongside surface tension reduction. Identified molecularly as Streptomyces thinghirensis through 16S rRNA sequencing, this strain was optimized for biosurfactant synthesis using response surface methodology (RSM) incorporating central composite design (CCD) and an artificial neural network coupled with a genetic algorithm. Biochemical and compositional characterization verified the phospholipid nature of the biosurfactant generated by the 7SDS strain, showcasing notable surfactant properties and potent antimicrobial activity. Additionally, strain 7SDS demonstrated significant PAHs degradation capacity, notably for anthracene, fluoranthene, pyrene, and phenanthrene, achieving biodegradation rate of up to 98.74% after 05 days of cultivation for anthracene, primarily attributed to ortho-cleavage mediated by catechol 1,2-dioxygenase. These findings underscore the promising potential of the 7SDS strain for hydrocarbons bioremediation in contaminated environments. Résumé La contamination par les hydrocarbures, provenant de l'industrie pétrochimique, est une préoccupation environnementale majeure. La bioremédiation, utilisant des microorganismes, offre une solution efficace pour convertir ces substances en formes moins nocives, réduisant ainsi l'usage de produits chimiques et d'énergie. Cette étude évaluant 25 souches d'actinomycètes hydrocarbonoclastes, isolées des sols pollués par les hydrocarbures dans le sud-est de l'Algérie, visait à produire des biosurfactants et à dégrader des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs). La souche 7SDS s'est distinguée par sa production de biosurfactants et s'est avérée être le candidat idéal en raison de ses performances supérieures en termes d'émulsification, de déplacement d'huile, d'activités lipasiques et hémolytiques, ainsi que de réduction de la tension de surface. Identifiée moléculairement comme Streptomyces thinghirensis par séquençage de l'ARNr 16S, cette souche a été optimisée pour la synthèse de biosurfactants en utilisant la méthodologie de surface de réponse (RSM) avec un plan composite central (CCD) et un réseau neuronal artificiel associé à un algorithme génétique. Les caractérisations biochimiques et compositionnelles ont confirmé la nature phospholipidique de biosurfactant produit par la souche 7SDS, qui a démontré des propriétés tensioactives remarquables ainsi qu'une forte activité antimicrobienne. De plus, la souche 7SDS a montré une capacité significative à dégrader les HAPs, notamment l'anthracène, le fluoranthène, le pyrène et le phénanthrène, avec une biodégradation atteignant jusqu'à 98,74% après 05 jours de culture pour anthracène, principalement attribuée à l'ortho-clivage par le catéchol 1,2-dioxygénase. Ces résultats soulignent le potentiel prometteur de la souche 7SDS dans la bioremédiation des hydrocarbures dans des environnements contaminés. ملخص يعد التلوث الهيدروكربوني الناتج عن صناعة البتروكيماويات مصدر قلق بيئي كبير. وتوفر المعالجة الحيوية باستخدام الكائنات الحية الدقيقة حلاً فعالاً لتحويل هذه المواد إلى أشكال أقل ضرراً، وبالتالي تقليل استخدام المواد الكيميائية والطاقة. تهدف هذه الدراسة التي تقيم 25 سلالة من الفطريات الشعوية الهيدروكربونية، المعزولة من التربة الملوثة بالنفط في جنوب شرق الجزائر، إلى إنتاج مواد خافضة للتوتر السطحي وتحلل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs). تميزت سلالة 7SDS بإنتاجها للمواد الخافضة للتوتر السطحي وأثبتت أنها المرشح المثالي بسبب أدائها المتفوق من حيث الاستحلاب، وإزاحة الزيت، وأنشطة الليباز والانحلالي، بالإضافة إلى تقليل التوتر السطحي. تم تحديد هذه السلالة جزيئيًا على أنها Streptomyces thinghirensis بواسطة تسلسل RNA 16S، وتم تحسينها لتخليق المواد الخافضة للتوتر السطحي باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) مع مستوى مركب مركزي (CCD) وشبكة عصبية اصطناعية مرتبطة بخوارزمية جينية. أكدت التحليلات الكيميائية الحيوية والتركيبية طبيعة الدهون الفوسفورية للمواد الخافضة للتوتر السطحي الحيوية التي تنتجها السلالة 7SDS، والتي أظهرت خصائص ملحوظة للفاعل بالسطح بالإضافة إلى نشاط قوي مضاد للميكروبات. علاوة على ذلك، أظهرت سلالة 7SDS قدرة كبيرة على تحلل الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات، بما في ذلك الأنثراسينوالفلورانثين والبيرين والفينانثرين، مع وصول التحلل الحيوي إلى 98.74٪ بعد 05 أيام من الزراعة فيالأنثراسين ، ويعزى ذلك بشكل أساسي إلى الانقسام العظمي بواسطة الكاتيكول 1،2-ديوكسيجيناز. تسلط هذه النتائج الضوء على الإمكانات الواعدة.