Микробное биоразложение
Микробная биодеградация — это использование методов биоремедиации и биотрансформации для использования естественной способности микробного метаболизма ксенобиотиков разлагать, трансформировать или накапливать загрязнители окружающей среды, включая углеводороды (например, нефть), полихлорированные бифенилы (ПХД), полиароматические углеводороды (ПАУ), гетероциклические соединения. (например, пиридин или хинолин ), фармацевтические вещества, радионуклиды и металлы.
интерес к микробному биоразложению загрязняющих веществ . В последние годы усилился [ 1 ] [ 2 ] а недавние крупные методологические прорывы позволили провести подробный геномный, метагеномный, протеомный, биоинформатический и другие высокопроизводительные анализы экологически важных микроорганизмов , предоставив новое понимание путей биодеградации и способности организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.
Биологические процессы играют важную роль в удалении загрязняющих веществ и используют катаболическую универсальность микроорганизмов для разложения или преобразования таких соединений. В экологической микробиологии глобальные исследования на основе генома . улучшают понимание метаболических и регуляторных сетей, а также предоставляют новую информацию об эволюции путей деградации и стратегиях молекулярной адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды
Аэробное биоразложение загрязняющих веществ
[ редактировать ]Растущее количество бактериальных геномных данных открывает новые возможности для понимания генетических и молекулярных основ деградации органических загрязнителей . Ароматические соединения являются одними из наиболее стойких из этих загрязнителей, и уроки можно извлечь из недавних геномных исследований Burkholderia xenovorans LB400 и Rhodococcus sp. штамм RHA1, два крупнейших бактериальных генома, полностью секвенированные на сегодняшний день. Эти исследования помогли расширить наше понимание бактериального катаболизма , некатаболической физиологической адаптации к органическим соединениям и эволюции крупных бактериальных геномов . Во-первых, метаболические пути филогенетически различных изолятов очень схожи с точки зрения общей организации. Таким образом, как первоначально было отмечено у псевдомонад , большое количество «периферических ароматических» путей направляют ряд природных и ксенобиотических соединений в ограниченное число «центральных ароматических» путей. Тем не менее, эти пути генетически организованы родоспецифичным образом, примером чему служат пути b-кетоадипата и Раа. Сравнительные геномные исследования также показывают, что некоторые пути более распространены, чем первоначально предполагалось. Таким образом, пути Box и Paa иллюстрируют преобладание неоксигенолитических стратегий расщепления кольца в процессах аэробной деградации ароматических веществ. Функциональные геномные исследования оказались полезными для установления того, что даже организмы, содержащие большое количество гомологичные ферменты, по-видимому, содержат мало примеров истинной избыточности. Например, множественность диоксигеназ, расщепляющих кольцо, в некоторых изолятах родококков можно объяснить загадочным ароматическим катаболизмом различных терпеноидов и стероидов. Наконец, анализы показали, что недавний генетический поток, по-видимому, сыграл более значительную роль в эволюции некоторых крупных геномов, таких как LB400, чем других. Однако наметившаяся тенденция заключается в том, что большой репертуар генов мощных деградаторов загрязнителей, таких как LB400 и RHA1, развился главным образом посредством более древних процессов. То, что это верно для таких филогенетически разнообразных видов, примечательно и еще раз предполагает древнее происхождение этой катаболической способности. [ 3 ]
Анаэробное биоразложение загрязняющих веществ
[ редактировать ]Анаэробная микробная минерализация стойких органических загрязнителей имеет большое экологическое значение и включает в себя интригующие новые биохимические реакции. [ 4 ] В частности, долгое время сомневались в способности углеводородов и галогенированных соединений разлагаться в отсутствие кислорода, но выделение неизвестных до сих пор анаэробных бактерий в последние десятилетия , разлагающих углеводороды и восстанавливающих дегалогены, предоставило окончательное доказательство существования этих процессов в природе. Хотя первоначально такие исследования касались в основном хлорированных соединений, недавние исследования выявили восстановительное дегалогенирование фрагментов брома и йода в ароматических пестицидах. [ 5 ] Другие реакции, такие как биологически индуцированное абиотическое восстановление минералами почвы, [ 6 ] Было показано, что относительно стойкие гербициды на основе анилина дезактивируются гораздо быстрее, чем это наблюдается в аэробных средах. Было обнаружено множество новых биохимических реакций, обеспечивающих соответствующие метаболические пути, но прогресс в молекулярном понимании этих бактерий был довольно медленным, поскольку генетические системы трудно применимы для большинства из них. Однако с ростом применения геномики в области микробиологии окружающей среды появилась новая и многообещающая перспектива для получения молекулярного понимания этих новых метаболических свойств. За последние несколько лет было определено несколько полных последовательностей генома бактерий, способных анаэробно разлагать органические загрязнители. размером ~4,7 Мб Геном факультативно денитрифицирующего штамма Aromatoleum Aromaticum EbN1 был первым, который был определен в качестве анаэробного деградатора углеводородов (с использованием толуола или этилбензола в качестве субстратов ). Последовательность генома выявила около двух десятков кластеров генов (в том числе несколько паралоги ), кодирующие сложную катаболическую сеть анаэробного и аэробного разложения ароматических соединений. Последовательность генома составляет основу для текущих детальных исследований регуляции путей и структур ферментов . Дополнительные геномы анаэробных бактерий, разлагающих углеводороды, были недавно завершены для видов, восстанавливающих железо, Geobacter metallireducens (инвентарный номер NC_007517) и восстанавливающих перхлорат Dechromonas aromatica (инвентарный номер NC_007298), но они еще не оценены в официальных публикациях. Были также определены полные геномы бактерий, способных к анаэробной деградации галогенированных углеводородов путем галореспирации : геномы ~1,4 Мб Dehalococcoides ethenogenes штамма 195 и Dehalococcoides sp. штамм CBDB1 и геном размером ~5,7 Мб штамма Desulfitobacterium hafniense Y51. Для всех этих бактерий характерно наличие множества паралогичных генов редуктивных дегалогеназ, что указывает на более широкий спектр дегалогенирования организмов, чем было известно ранее. Более того, последовательности генома предоставили беспрецедентную информацию об эволюции восстановительного дегалогенирования и различных стратегиях адаптации ниш. [ 7 ]
Недавно стало очевидно, что некоторые организмы, в том числе Desulfitobacterium chromorespirans , первоначально оценивавшиеся по галореспирации хлорфенолов, могут также использовать определенные бромированные соединения, такие как гербицид бромоксинил и его основной метаболит, в качестве акцепторов электронов для роста. Йодированные соединения также могут быть дегалогенированы, хотя этот процесс может не удовлетворять потребности в акцепторе электронов. [ 5 ]
Биодоступность, хемотаксис и транспорт загрязнителей
[ редактировать ]Биодоступность , или количество вещества, которое физико-химически доступно микроорганизмам, является ключевым фактором эффективного биоразложения загрязнителей. О'Локлин и др. (2000) [ 8 ] показали, что, за исключением каолинитовой почвенных глин и катионообменных смол замедляют биоразложение 2-пиколина Arthrobacter глины, большинство sp. штамм R1, в результате адсорбции субстрата на глинах. Хемотаксис , или направленное движение подвижных организмов к химическим веществам в окружающей среде или от них, является важной физиологической реакцией, которая может способствовать эффективному катаболизму молекул в окружающей среде. Кроме того, важное значение имеют механизмы внутриклеточного накопления ароматических молекул посредством различных транспортных механизмов. [ 9 ]
Биодеградация нефти
[ редактировать ]
Нефтяное масло содержит ароматические соединения, токсичные для большинства форм жизни. Эпизодическое и хроническое загрязнение окружающей среды нефтью наносит серьезный ущерб местной экологической среде. Морская среда особенно уязвима, поскольку разливы нефти вблизи прибрежных районов и в открытом море трудно локализовать, что усложняет усилия по смягчению последствий. Помимо загрязнения в результате деятельности человека, около 250 миллионов литров нефти ежегодно попадает в морскую среду в результате естественных утечек. [ 10 ] Несмотря на свою токсичность, значительная часть нефтяного масла, попадающего в морские системы, уничтожается в результате разлагающей углеводороды деятельности микробных сообществ, в частности недавно открытых группой специалистов - гидрокарбонатокластических бактерий (ГКБ). [ 11 ] Alcanivorax borkumensis был первым HCB, геном которого секвенировали. [ 12 ] Помимо углеводородов, сырая нефть часто содержит различные гетероциклические соединения , такие как пиридин, которые, по-видимому, разлагаются по тем же механизмам, что и углеводороды. [ 13 ]
Биодеградация холестерина
[ редактировать ]Многие синтетические стероидные соединения, такие как некоторые половые гормоны, часто появляются в городских и промышленных сточных водах, выступая в качестве загрязнителей окружающей среды с сильной метаболической активностью, отрицательно влияя на экосистемы. Поскольку эти соединения являются общими источниками углерода для многих различных микроорганизмов, их аэробная и анаэробная минерализация широко изучена. Интерес этих исследований заключается в биотехнологическом применении ферментов, трансформирующих стерины, для промышленного синтеза половых гормонов и кортикоидов. Совсем недавно катаболизм холестерина приобрел высокую актуальность, поскольку он участвует в инфекционности возбудителя Mycobacterium Tuberculosis ( Mtb ). [ 1 ] [ 14 ] Mtb вызывает заболевание туберкулезом , и было продемонстрировано, что возникла новая архитектура ферментов, способная связывать и модифицировать стероидные соединения, такие как холестерин, в этом организме, а также в других бактериях, использующих стероиды. [ 15 ] [ 16 ] Эти новые ферменты могут представлять интерес из-за их потенциала в химической модификации стероидных субстратов.
Анализ биоочистки отходов
[ редактировать ]Устойчивое развитие требует содействия рациональному использованию окружающей среды и постоянного поиска новых технологий для переработки огромного количества отходов, образующихся в результате растущей антропогенной деятельности. Биоочистка, переработка отходов с использованием живых организмов, является экологически чистой, относительно простой и экономически эффективной альтернативой физико-химическим вариантам очистки. Замкнутые среды, такие как биореакторы , были спроектированы для преодоления физических, химических и биологических ограничивающих факторов процессов биоочистки в строго контролируемых системах. Большая универсальность в проектировании замкнутых сред позволяет перерабатывать широкий спектр отходов в оптимизированных условиях. Для проведения правильной оценки необходимо учитывать различные микроорганизмы, имеющие разнообразные геномы и экспрессируемые транскрипты и белки. Часто требуется большое количество анализов. При использовании традиционных геномных методов такие оценки ограничены и требуют много времени. Однако несколько высокопроизводительных методов, первоначально разработанных для медицинских исследований, могут быть применены для оценки биоочистки в замкнутых средах. [ 17 ]
Метаболическая инженерия и биокаталитические приложения
[ редактировать ]Изучение судьбы стойких органических химических веществ в окружающей среде выявило большой резервуар ферментативных реакций с большим потенциалом в препаративном органическом синтезе, который уже используется для ряда оксигеназ в пилотных и даже промышленных масштабах. Новые катализаторы могут быть получены с помощью метагеномных библиотек и подходов, основанных на последовательностях ДНК . Наши растущие возможности по адаптации катализаторов к конкретным реакциям и требованиям процесса посредством рационального и случайного мутагенеза расширяют возможности применения в тонкой химической промышленности, а также в области биоразложения . Во многих случаях эти катализаторы необходимо использовать в биоконверсиях или ферментациях целых клеток , что требует общесистемных подходов к пониманию физиологии и метаболизма штаммов, а также рациональных подходов к конструированию целых клеток, поскольку они все чаще выдвигаются в области систем. биотехнология и синтетическая биология. [ 18 ]
Грибковая биодеградация
[ редактировать ]В экосистеме разные субстраты с разной скоростью подвергаются атакам консорциумов организмов из разных царств. Aspergillus и другие плесневые грибы играют важную роль в этих консорциумах, поскольку они умеют перерабатывать крахмалы, гемицеллюлозы, целлюлозы, пектины и другие сахарные полимеры. Некоторые аспергиллы способны разрушать более тугоплавкие соединения, такие как жиры, масла, хитин и кератин. Максимальное разложение происходит при наличии достаточного количества азота, фосфора и других необходимых неорганических питательных веществ. Грибы также служат пищей для многих почвенных организмов. [ 19 ]
Для Aspergillus процесс разложения является способом получения питательных веществ. Когда эти плесени разлагают искусственные субстраты, этот процесс обычно называют биоразрушением. И бумага, и текстиль (хлопок, джут и лен) особенно уязвимы к разложению Aspergillus . Наше художественное наследие также подвергается атаке Aspergillus . Приведем лишь один пример: после наводнения во Флоренции в Италии в 1969 году 74% изолятов с поврежденной фрески Гирландайо в церкви Огниссанти были Aspergillus versicolor . [ 20 ]
См. также
[ редактировать ]- Биодеградация
- Биоремедиация
- Биотрансформация
- Биодоступность
- Хемотаксис
- Микробиология
- Экологическая микробиология
- Промышленная микробиология
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Кукку, Анна-Ирини, изд. (2011). Микробная биоремедиация неметаллов: текущие исследования . Кайстер Академик Пресс . ISBN 978-1-904455-83-7 .
- ^ Диас, Эдуардо, изд. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Маклеод, член парламента, Элтис Л.Д. (2008). «Геномный взгляд на аэробные пути разложения органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мейнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (2015). «Восстановительные дегалогеназы достигают совершеннолетия при биологическом разрушении галогенорганических соединений». Тенденции в биотехнологии . 33 (10): 595–610. дои : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 26409778 .
- ^ Jump up to: а б Капплс, А.М., Р.А. Сэнфорд и Г.К. Симс. 2005. Дегалогенирование бромоксинила (3,5-дибром-4-гидроксибензонитрила) и иоксинила (3,5-дииодино-4-гидроксибензонитрила) с помощью Desulfitobacterium chromorrespirans . Прил. Конв. Микро. 71(7):3741-3746.
- ^ Тор, Дж., К. Сюй, Дж. М. Стуки, М. Вандер, Г. К. Симс. 2000. Разложение трифлуралина в условиях микробиологического восстановления нитратов и железа(III). Конв. наук. Тех. 34:3148-3152.
- ^ Хайдер Дж., Рабус Р. (2008). «Геномные идеи анаэробного биоразложения органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ О'Локлин, Э.Дж.; Трейна, С.Дж.; Симс, ГК (2000). «Влияние сорбции на биоразложение 2-метилпиридина в водных суспензиях эталонных глинистых минералов». Окружающая среда. Токсикол. Хим . 19 (9): 2168–2174. дои : 10.1002/etc.5620190904 . S2CID 98654832 .
- ^ Паралес Р.Э. и др. (2008). «Биодоступность, хемотаксис и транспорт органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ И. Р. Макдональд (2002). «Перенос углеводородов из природных источников в толщу воды и атмосферу» . Геофлюиды . 2 (2): 95–107. дои : 10.1046/j.1468-8123.2002.00023.x .
- ^ Якимов М.М., Тиммис К.Н., Голышин П.Н. (июнь 2007 г.). «Облигатные морские бактерии, разлагающие нефть». Курс. Мнение. Биотехнология . 18 (3): 257–66. CiteSeerX 10.1.1.475.3300 . doi : 10.1016/j.copbio.2007.04.006 . ПМИД 17493798 .
- ^ Мартинс душ Сантос В.А. и др. (2008). «Геномный взгляд на биоразложение нефти в морских системах». В Диасе Э (ред.). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Симс, Г.К. и Э.Дж. О'Локлин. 1989. Деградация пиридинов в окружающей среде. Критические обзоры CRC в области экологического контроля. 19 (4): 309–340.
- ^ Випперман, Мэтью, Ф.; Сэмпсон, Николь, С.; Томас, Сюзанна, Т. (2014). «Патоген оидной ярости: утилизация холестерина микобактериями туберкулеза» . Crit Rev Biochem Mol Biol . 49 (4): 269–93. дои : 10.3109/10409238.2014.895700 . ПМЦ 4255906 . ПМИД 24611808 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Томас, Северная Каролина; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Микобактерия туберкулеза использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина» . Биохимия . 52 (17): 2895–2904. дои : 10.1021/bi4002979 . ПМЦ 3726044 . ПМИД 23560677 .
- ^ Випперман, МФ; Ян, М.; Томас, Северная Каролина; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Сокращение протеома FadE микобактерии туберкулеза : понимание метаболизма холестерина посредством идентификации семейства α 2 β 2 гетеротетрамерных ацил-коэнзимов А-дегидрогеназ» . Дж. Бактериол . 195 (19): 4331–4341. дои : 10.1128/JB.00502-13 . ПМЦ 3807453 . ПМИД 23836861 .
- ^ Ватанабэ К., Касаи Ю (2008). «Новые технологии для анализа естественного затухания и биоремедиации». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Мейер А, Панке С (2008). «Геномика в метаболической инженерии и биокаталитическом применении оборудования для разложения загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Мачида, Масаюки; Гоми, Кацуя, ред. (2010). Aspergillus : Молекулярная биология и геномика . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-53-0 .
- ^ Беннетт Дж.В. (2010). «Обзор рода Aspergillus » (PDF) . Aspergillus : Молекулярная биология и геномика . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-53-0 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июня 2016 г.
