Isolation, characterization and interactions of soil microorganisms involved in the enhanced biodegradation of non-fumigant organophosphate nematicides

Abstract

The most widely used pesticides utilized for the management of plant-parasitic nematodes belong to the organophosphorus group. Their efficacy may be reduced in areas where adapted microorganisms accumulate that are capable of rapidly degrading the active ingredients. The enhanced biodegradation process of non-fumigant nematicides is of particular concern in intensive agriculture. However, it remains unclear which microorganisms play the most important role in the rapid metabolization and how and why this process develops. Furthermore little is known as to whether the biodegradation process may be slowed down, stopped or reversed. Studies using soils with different nematicide history collected in four banana fields in the Atlantic region of Costa Rica demonstrated that the non-fumigant organophosphate nematicide terbufos had lower levels of efficacy and shorter effective activity against the burrowing nematode Radopholus similis when the soil had a prolonged terbufos application history. Lower levels of efficacy were related to the microorganisms capable of rapidly degrading the active ingredient. The analysis of soils collected in Germany with different nematicide application history demonstrated that fenamiphos, another organophosphate non-fumigant nematicide, was not rapidly biodegraded in soil with no previous pesticide exposure. This study also demonstrated that Pseudomonas spp. does not accumulate upon fenamiphos applications and may not be involved at all in fenamiphos degradation. The lack of surfactant production of the isolated Pseudomonas spp. could be a reason for their absence in the biodegradation process. Bacteria capable of degrading fenamiphos were isolated from another German soil with a large fenamiphos-history. These bacteria utilized fenamiphos as a sole carbon source. By comparison of the partial sequences of their 16S rRNA coding genes with those genes present in the GenBank sequence database, a fully resolved phylogenetic tree could be generated, showing that these fenamiphos degrading (Fd) isolates belonged to closely related Microbacterium, Sinorhizobium, Brevundimonas, Ralstonia, or Cupriavidus species. The Fd bacteria did not cross-degrade the novel organophosphate nematicide fosthiazate, thus suggesting that they are fenamiphosspecific. However, a combination of all microorganisms of the same soil from which the fenamiphos-degrading bacteria was isolated, was capable of degrading fosthiazate, thus demonstrating that there are other microorganisms capable of degrading nematicides even in the absence of an application history. This also revealed that the nematicide-history of one organophosphate nematicide does not intrinsically influence the degradation of another pesticide of this same chemical group.<br /> The application of plant revitalizers enhanced soil microbial biomass over time which resulted in an enhanced biocontrol activity against the root-knot nematode Meloidogyne incognita and a delayed biodegradation process of fenamiphos.<br /> In conclusion, this research demonstrated that many different soil bacteria can adapt when frequently exposed to a particular nematicide, thus offering them an alternative carbon source to grow. This effect can be slowed down by altering the microbial soil diversity through the application of natural plant enhancers that benefit nematicide non-degrading strains and simultaneously reduce nematode damage.

<strong>Isolierung, Charakterizierung und Wechselwirkungen von Bödenmikroorganismen verantworlich für den beschleunigten biologischen Abbau von nicht gas förmigen organophosphatishce Nematiziden</strong><br /> Die weitverbreitesten Pestizide gehören zur Wirkstoffgruppe der Organophosphate. Jedoch kann deren Wirkung durch das verstärkt Auftreten von Mikroorganismen, welche in der Lage sind diesen Wirkstoff zu degradieren, gemindert werden. Die verstärkte Degradierung von nicht gasförmigen Nematiziden betrifft vor allem Anbaugebiete mit intensiver Landwirtschaft. Bis heute ist ungeklärt welche Mikroorganismen bei dem Prozess der beschleunigten Metabolisierung von nicht gasförmigen organophosphatischen Nematiziden eine wichtige Rolle spielen oder wie und warum diese Prozess entsteht. Auch gibt es wenige Erkenntinsse darüber ob der Prozess der Bio-Degradierung verzögert, gestoppt oder umgekehrt werden kann. In diesen Untersuchungen wurden Böden von vier Bananenfeldern Costa Ricas, die zuvor mit verschiedenen Nematiziden behandelt wurden, genauer betrachtet. Es zeigte sich das die Behandlung mit dem Nicht-Begasungs Organophosphate Nematizid Terbufos einen Bekämpfungserfolg gegen den Nematoden Radopholus Similis zur Folge hatte sofern die Böden zuvor nicht so häufig mit dem Nematizid Terbufos behandelt wurden. Dieser Effekt konnte auf den hohen Anteil von Mikroorganismen in den Böden zurückgeführt werden, die den Wirkstoff im Boden schnell abbauten. Weiter Versuche mit verschiedenen Böden aus Deutschland zeigten, dass Böden die erstmals mit dem Nicht-Begasungs Organophosphate Nematizid Fenamiphos behandelt wurden, den Wirkstoff im Boden nicht ausreichend schnell biologisch abgebauen konnten. Verschiedene Bakterien der Gattung Pseudomonas konnten den Wirkstoff hier nicht metabolisieren. Ein Anstieg der Pseudomonas Population wurde nach einer Fenamiphos Behandlung nicht ermittelt. Der Mangel der Surfactant Produktion der bodenbürtigen Bakterien könnte ein Grund für den fehlenden biologischen Abbau sein. Folglich, könnten nur vereinzelte Pseudomonas spp. Stämme Nematizide abbauen. In weiteren Versuchen wurden aus deutschen Böden, die zuvor häufig mit Fenamiphos behandelt wurden, 17 Fenamiphos abbauende Bakterienstämme isoliert. Diese Bakterien bauten den Fenamiphos schnell ab. Weitere Versuche zeigten, dass ein Bakterienstamm den Wirkstoff als Kohlenstoffquelle für sein Wachstum nutzte. DNA Profile der Fenamiphos abbauenden Bakterienstämme wiesen 5 verschiedene RFLP Muster auf. Diese Bakterien wurden als Microbacterium, Sinorhizobium, Brevundimonas, Ralstonia oder Cupriavidus Spezies anhand ihrer partiellen 16S rRNA Gensequenzen identifiziert. Phylogenetische Analysen mit die Bakterien zeigten enge Verwandtschaft mit einander und haben gezeigt dass die Bakterien stammten von dem gleichen Vorfahren ab. Multiple Sequenz Analyse von den Fenamiphos abbauenden Bakterien ergaben identische Nucleotide Regionen mit Bakterien von ein Genebank. Die Fenamiphos abbauenden Bakterien bauten das neuartige Organophosphate Nematizid Fosthiazate nicht ab wodurch eine Fenamiphos Spezifizierung der Bakterien nachgewiesen werden konnte. Jedoch, in den Böden, in denen zuvor die Fenamiphos abbauenden Bakterien isoliert wurden, wurde der Wirkstoff Fosthiazate, aufgrund des hohen Mikroorganismen Anteil im Boden, abgebaut. Applikationen von Pflanzen revitalisierenden Mitteln erhöhte die mikrobielle Biomasse im Boden. Das frühe Eindringen des Wurzelgallen Nematoden Meloidogyne incognita wurde gehemmt. Der Abbau von Fenamiphos wurde verzögert. Zusammenfassend zeigte diese Arbeit, dass spezifische bodenbürtige Bakterien sich an bestimmte Nematizide anpassen und deren Wirkstoff als Kohlenstoffquelle für sich nutzen können. Dieser Effekt verlangsamte sich mit veränderter Populationsdichte der Mikroorganismen. Die Diversität durch Applikation von biologischen Pflanzenfördern hemmte den Nematodenbefall selbst wenn nicht Nematizid abbauende Stämme im Boden vorkommen.