Фототрофная биопленка
Фототрофные биопленки представляют собой микробные сообщества, обычно состоящие как из фототрофных микроорганизмов, использующих свет в качестве источника энергии, так и из хемогетеротрофов. [ 1 ] Толстые слоистые многослойные фототрофные биопленки обычно называют микробными матами или фототрофными матами (см. также биопленка ). [ 2 ] Эти организмы, которые могут быть прокариотическими или эукариотическими организмами, такими как бактерии , цианобактерии , грибы и микроводоросли , составляют разнообразные микробные сообщества, прикрепленные к слизистой матрице или пленке. Эти биопленки возникают на контактных поверхностях в различных наземных и водных средах. Формирование биопленок — сложный процесс, зависящий от наличия света, а также от взаимоотношений между микроорганизмами. Биопленки выполняют различные функции в водных, наземных и экстремальных средах; эти роли включают в себя функции, которые приносят как пользу, так и вред окружающей среде. В дополнение к этим естественным функциям фототрофные биопленки также были адаптированы для таких применений, как производство и защита сельскохозяйственных культур, биоремедиация и очистка сточных вод . [ 1 ] [ 2 ]
Образование биопленки
[ редактировать ]Формирование биопленки — сложный процесс, который происходит в четыре основных этапа: прикрепление клеток, образование колонии, созревание и распространение клеток. Эти пленки могут достигать размеров от микронов до сантиметров в толщину. Большинство из них зеленого и/или коричневого цвета, но могут быть и более красочными. [ 1 ]
Развитие биопленки зависит от выработки внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) микроорганизмами. ЭПС, похожий на гель, представляет собой матрицу, обеспечивающую структуру биопленки и необходимую для роста и функциональности. Он состоит из органических соединений, таких как полисахариды, белки и гликолипиды, а также может включать неорганические вещества, такие как ил и кремнезем. ЭПС объединяет клетки в биопленку и передает свет организмам в нижней зоне. Кроме того, EPS служит клеем для прикрепления к поверхности и облегчает переваривание питательных веществ внеклеточными ферментами. [ 1 ]
Микробные функции и взаимодействия также важны для поддержания благополучия сообщества. В целом фототрофные организмы в биопленке обеспечивают основу для роста сообщества в целом, опосредуя процессы и преобразования биопленки. Хемогетеротрофы используют продукты фотосинтеза фототрофов в качестве источников углерода и азота и, в свою очередь, обеспечивают регенерацию питательных веществ для сообщества. [ 1 ] [ 2 ] Различные группы организмов располагаются в отдельных слоях в зависимости от наличия света, присутствия кислорода и окислительно-восстановительных градиентов, создаваемых этими видами. [ 2 ] Воздействие света на ранних стадиях развития биопленок оказывает огромное влияние на рост и микробное разнообразие; большая доступность света способствует большему росту. Фототрофы, такие как цианобактерии и зеленые водоросли, занимают открытый слой биопленки, в то время как нижние слои состоят из анаэробных фототрофов и гетеротрофов, таких как бактерии, простейшие и грибы. [ 1 ] Эукариотические водоросли и цианобактерии во внешней части используют энергию света для восстановления углекислого газа, обеспечивая органические субстраты и кислород . Эта фотосинтетическая активность стимулирует процессы и преобразования во всем сообществе биопленок, включая гетеротрофную фракцию. Он также создает градиент кислорода в мате, который препятствует росту большинства анаэробных фототрофов и хемотрофов в верхних областях. [ 2 ]
Коммуникация между микроорганизмами облегчается путем восприятия кворума или путей передачи сигнала , которые осуществляются посредством секреции молекул, которые диффундируют через биопленку. Характер этих веществ варьируется в зависимости от типа микроорганизма, из которого они были выделены. [ 1 ]
Хотя некоторые организмы, способствующие образованию биопленок, можно идентифицировать, точный состав биопленок определить сложно, поскольку многие организмы невозможно вырастить с использованием методов чистой культуры. Хотя методы чистой культуры не могут быть использованы для идентификации некультивируемых микроорганизмов и не поддерживают изучение сложных взаимодействий между фотоавтотрофами и гетеротрофами, использование метагеномики , протеомики и транскриптомики помогло охарактеризовать эти некультивируемые организмы и дало некоторое представление о молекулярных механизмах. микробная организация и взаимодействие в биопленках. [ 1 ]
Экология
[ редактировать ]Фототрофные биопленки можно обнаружить на земных и водных поверхностях и они могут противостоять колебаниям окружающей среды и экстремальным условиям. В водных системах биопленки преобладают на поверхности камней и растений, а в наземной среде могут располагаться в почве, на камнях и зданиях. [ 1 ] Фототрофные биопленки и микробные маты были описаны в экстремальных условиях, таких как термальные источники, [ 3 ] гиперсоленые пруды, [ 4 ] корки пустынной почвы и ледяные покровы озер в Антарктиде. Летопись окаменелостей бентосных фототрофных сообществ, таких как микробные маты и строматолиты , возрастом 3,4 миллиарда лет , указывает на то, что эти ассоциации представляют собой старейшие известные экосистемы Земли. Считается, что эти ранние экосистемы сыграли ключевую роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли . [ 5 ]
Эти микроорганизмы играют разнообразную роль в различных средах, в которых они могут быть обнаружены. В водной среде эти микробы являются первичными продуцентами, важной частью пищевой цепи. Они выполняют ключевую функцию по обмену значительного количества питательных веществ и газов между атмосферными и океаническими резервуарами. Биопленки в наземных системах могут способствовать улучшению почвы, уменьшению эрозии, стимулированию роста растительности и оживлению пустынных земель, но они также могут ускорить деградацию твердых структур, таких как здания и памятники. [ 1 ]
Приложения
[ редактировать ]Растет интерес к применению фототрофных биопленок, например, для очистки сточных вод на искусственных водно-болотных угодьях , биоремедиации , сельском хозяйстве и производстве биоводорода . [ 2 ] Некоторые из них описаны ниже.
Сельское хозяйство
[ редактировать ]Агрохимикаты, такие как пестициды , удобрения и пищевые гормоны, широко используются для производства более качественных и объемных продуктов питания, а также для защиты сельскохозяйственных культур. Однако биоудобрения были разработаны как более экологически безопасный метод помощи в развитии и защите растений путем стимулирования роста таких микроорганизмов, как цианобактерии. Цианобактерии могут стимулировать рост растений, колонизируя корни растений и поставляя им углерод и азот, которые они могут обеспечить растениям посредством естественных метаболических процессов фиксации углекислого газа и азота. Они также могут производить вещества, которые вызывают защиту растений от вредных грибов, бактерий и вирусов. Другие организмы также могут производить вторичные метаболиты, такие как фитогормоны, которые повышают устойчивость растений к вредителям и болезням. [ 1 ] Содействие росту фототрофных биопленок в сельскохозяйственных условиях улучшает качество почвы и удержание воды, снижает засоление и защищает от эрозии . [ 2 ]
Биоремедиация
[ редактировать ]Организмы в матах, такие как цианобактерии, восстановители сульфатов и аэробные гетеротрофы, могут способствовать биоремедиации водных систем посредством биоразложения масел. [ 2 ] Это достигается за счет освобождения кислорода, органических соединений и азота от углеводородных загрязнителей. Рост биопленки может также разрушать другие загрязнители за счет окисления масел, пестицидов и гербицидов и снижения содержания тяжелых металлов, таких как медь, свинец и цинк. Аэробные процессы разложения загрязняющих веществ могут осуществляться в течение дня, а анаэробные процессы осуществляются биопленками ночью. [ 1 ] Кроме того, поскольку реакция биопленок на загрязнители во время первоначального воздействия предполагает острую токсичность, биопленки можно использовать в качестве датчиков загрязнения. [ 2 ]
Очистка сточных вод
[ редактировать ]Биопленки используются на очистных сооружениях и водно-болотных угодьях для таких процессов, как очистка воды, загрязненной пестицидами и удобрениями, поскольку с помощью биопленок проще формировать хлопья или агрегаты по сравнению с другими хлопьевидными материалами. [ 1 ] [ 2 ] Есть также много других преимуществ использования фототрофных биопленок для очистки сточных вод, особенно для удаления питательных веществ. Организмы могут улавливать питательные вещества из сточных вод и использовать их вместе с углекислым газом для создания биомассы. Биомасса может улавливать азот, который можно извлечь и использовать в производстве удобрений. [ 2 ] Из-за быстрого роста фототрофные биопленки поглощают больше питательных веществ, чем другие методы удаления питательных веществ с использованием биомассы водорослей, и их легче собирать, поскольку они естественным образом растут на поверхности прудов со сточными водами. [ 6 ]
Фототрофная активность этих пленок может осаждать растворенные фосфаты из-за повышения pH; эти фосфаты затем удаляются путем ассимиляции. Увеличение pH сточных вод также сводит к минимуму присутствие колиформных бактерий. [ 2 ]
Детоксикация тяжелых металлов при очистке сточных вод также может быть достигнута с помощью этих микробов, главным образом, посредством пассивных механизмов, таких как ионный обмен , хелатирование , адсорбция и диффузия , которые представляют собой биосорбцию . Активный режим известен как биоаккумуляция . На детоксикацию металлов, опосредованную биосорбцией, влияют такие факторы, как интенсивность света, pH, плотность биопленки и толерантность организма к тяжелым металлам. Хотя биосорбция является эффективным и недорогим процессом, методы извлечения тяжелых металлов из биомассы после биосорбции все еще нуждаются в дальнейшем развитии. [ 2 ]
Использование фототрофных биопленок для очистки сточных вод более энергоэффективно и экономично, а также позволяет производить побочные продукты, которые могут быть далее переработаны в биотопливо. [ 1 ] В частности, цианобактерии способны производить биоводород, который является альтернативой ископаемому топливу и может стать жизнеспособным источником возобновляемой энергии. [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Бхарти, Аша; Вельмуругане, Куландайвелу; Прасанна, Радха (01 декабря 2017 г.). «Фототрофные биопленки: разнообразие, экология и применение» . Журнал прикладной психологии . 29 (6): 2729–2744. дои : 10.1007/s10811-017-1172-9 . ISSN 1573-5176 . S2CID 25176474 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Розелерс Г., ван Лоосдрехт М.К., Мюзер Г. (июнь 2007 г.). «Фототрофные биопленки и их потенциальное применение» . Журнал прикладной психологии . 20 (3): 227–35. дои : 10.1007/s10811-007-9223-2 . ПМК 2668646 . ПМИД 19396356 .
- ^ Розелерс Дж., Норрис Т.Б., Кастенхольц Р.В. (январь 2007 г.). «Разнообразие фототрофных бактерий в микробных матах из арктических горячих источников (Гренландия)». Экологическая микробиология . 9 (1): 26–38. дои : 10.1111/j.1462-2920.2006.01103.x . ПМИД 17227409 .
- ^ Соренсен К.Б., Кэнфилд Д.Э., Теске А.П., Орен А. (ноябрь 2005 г.). «Состав сообщества гиперсоленого эндоэвапоритового микробного мата» . Прикладная и экологическая микробиология . 71 (11): 7352–65. дои : 10.1128/АЕМ.71.11.7352-7365.2005 . ПМЦ 1287706 . ПМИД 16269778 .
- ^ Hoehler TM, Bebout BM, Des Marais DJ (июль 2001 г.). «Роль микробных матов в производстве восстановленных газов на ранней Земле». Природа . 412 (6844): 324–7. Бибкод : 2001Natur.412..324H . дои : 10.1038/35085554 . ПМИД 11460161 . S2CID 4365775 .
- ^ Гусзон, Антонелла; Бон, Андреас; Диочаюти, Марко; Альбертано, Патриция (октябрь 2008 г.). «Культивируемые фототрофные биопленки для удаления фосфора при очистке сточных вод» . Исследования воды . 42 (16): 4357–4367. дои : 10.1016/j.watres.2008.07.029 . ПМИД 18774156 .