Микробная биодеградация

Микробная биодеградация — это использование методов биоремедиации и биотрансформации для использования естественной способности микробного метаболизма ксенобиотиков разрушать, преобразовывать или накапливать загрязнители окружающей среды, включая углеводороды (например, нефть), полихлорированные бифенилы (ПХБ), полиароматические углеводороды (ПАУ), гетероциклические соединения (например, пиридин или хинолин ), фармацевтические вещества, радионуклиды и металлы.

Интерес к микробной биодеградации загрязняющих веществ усилился в последние годы ^{[1] [2]} , и недавние крупные методологические прорывы позволили провести подробный геномный, метагеномный, протеомный, биоинформационный и другие высокопроизводительные анализы экологически значимых микроорганизмов , что дало новые знания о путях 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 деградации или преобразования таких соединений. В экологической микробиологии глобальные исследования на основе генома повышают понимание метаболических и регуляторных сетей, а также предоставляют новую информацию об эволюции путей деградации и молекулярных стратегиях адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

Аэробная биодеградация загрязняющих веществ

Растущий объем данных о геноме бактерий предоставляет новые возможности для понимания генетических и молекулярных основ деградации органических загрязнителей . Ароматические соединения являются одними из самых стойких из этих загрязнителей, и уроки можно извлечь из недавних геномных исследований Burkholderia xenovorans LB400 и Rhodococcus sp. штамма RHA1, двух крупнейших бактериальных геномов, полностью секвенированных 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 от филогенетически разнообразных изолятов очень похожи 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 количество «центральных ароматических» путей. Тем не менее, эти пути генетически организованы в родоспецифических модах, как показывают пути b-кетоадипата и Paa. Сравнительные геномные исследования далее показывают, что некоторые пути более распространены, чем первоначально предполагалось. Таким образом, пути Box и Paa иллюстрируют распространенность неоксигенолитических стратегий расщепления кольца в аэробных процессах ароматической деградации. Функциональные геномные исследования были полезны для установления того, что даже организмы, несущие большое количество гомологичных ферментов, по-видимому, содержат мало примеров истинной избыточности. Например, множественность диоксигеназ, расщепляющих кольцо, в некоторых изолятах родококков может быть отнесена к скрытому ароматическому катаболизму 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, новая тенденция заключается в том, что большие репертуары генов мощных деградаторов загрязняющих веществ, таких как LB400 и RHA1, эволюционировали в основном посредством более древних процессов. То, что это верно для таких филогенетически разнообразных видов, является примечательным и дополнительно предполагает древнее происхождение этой катаболической способности. ^[3]

Анаэробная биодеградация загрязняющих веществ

Анаэробная микробная минерализация стойких органических загрязнителей имеет большое экологическое значение и включает в себя интригующие новые биохимические реакции. ^[4] В частности, углеводороды и галогенированные соединения долгое время подвергались сомнению в отношении того, что они могут разлагаться в отсутствие кислорода, но выделение до сих пор неизвестных анаэробных углеводород-разлагающих и восстановительно дегалогенирующих бактерий в течение последних десятилетий предоставило окончательное доказательство этих процессов в природе. Хотя изначально такие исследования в основном касались хлорированных соединений, недавние исследования выявили восстановительную дегалогенизацию бромных и йодных фрагментов в ароматических пестицидах. ^[5] Было показано, что другие реакции, такие как биологически индуцированное абиотическое восстановление почвенными минералами, ^[6] дезактивируют относительно стойкие гербициды на основе анилина гораздо быстрее, чем это наблюдается в аэробных средах. Было обнаружено много новых биохимических реакций, обеспечивающих соответствующие метаболические пути, но прогресс в молекулярном понимании этих бактерий был довольно медленным, поскольку генетические системы нелегко применимы для большинства из них. Однако с ростом применения геномики в области экологической микробиологии теперь появилась новая и многообещающая перспектива получения молекулярного понимания этих новых метаболических свойств. За последние несколько лет было определено несколько полных геномных последовательностей бактерий, способных к анаэробной деградации органических загрязнителей. Геном размером ~4,7 Мб факультативного денитрифицирующего штамма Aromatoleum aromatum EbN1 был первым, который был определен для анаэробного деградатора углеводородов (использующего толуол или этилбензол в качестве субстратов ). Последовательность генома выявила около двух десятков кластеров генов (включая несколько паралогов ), кодирующих сложную катаболическую сеть для анаэробной и аэробной деградации ароматических соединений. Последовательность генома составляет основу для текущих подробных исследований регуляции путей и структур ферментов . Недавно были завершены дополнительные исследования геномов анаэробных бактерий, разлагающих углеводороды, для железовосстанавливающего вида Geobacter metallireducens (регистрационный номер NC_007517) и перхлоратвосстанавливающего вида Dechloromonas aromaca.(номер доступа NC_007298), но они еще не оценены в официальных публикациях. Полные геномы были также определены для бактерий, способных к анаэробной деградации галогенированных углеводородов путем галододыхания : геномы размером ~1,4 Мб штамма Dehalococcoides ethenogenes 195 и Dehalococcoides sp. штамма CBDB1 и геном размером ~5,7 Мб штамма Desulfitobacterium hafniense Y51. Характерным для всех этих бактерий является наличие множественных паралогичных генов для восстановительных дегалогеназ, что подразумевает более широкий спектр дегалогенирования организмов, чем было известно ранее. Более того, последовательности генома предоставили беспрецедентное понимание эволюции восстановительного дегалогенирования и различных стратегий адаптации ниши. ^[7]

Недавно стало очевидно, что некоторые организмы, включая Desulfitobacterium chlororespirans , изначально оцениваемые на галододыхание на хлорфенолах, также могут 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 удовлетворить потребность в акцепторе электронов. ^[5]

Биодоступность, хемотаксис и транспорт загрязняющих веществ

Биодоступность , или количество вещества, которое физико-химически доступно микроорганизмам, является ключевым фактором эффективной биодеградации загрязняющих веществ. O'Loughlin et al. (2000) ^[8] показали, что, за исключением каолинитовой глины, большинство почвенных глин и катионообменных смол ослабляют биодеградацию 2-пиколина штаммом Arthrobacter sp. 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, важны также механизмы внутриклеточного накопления ароматических молекул с помощью различных транспортных механизмов. ^[9]

Биодеградация нефти

Общий обзор микробной биодеградации нефтяного масла микробными сообществами. Некоторые микроорганизмы, такие как A. borkumensis , способны использовать углеводороды в качестве источника углерода в метаболизме. Они способны окислять экологически вредные углеводороды, производя при этом безвредные продукты, следуя общему уравнению C _n H _n + O ₂ → H ₂ O + CO ₂ . На рисунке углерод представлен желтыми кругами, кислород — розовыми кругами, а водород — синими кругами. Этот тип особого метаболизма позволяет этим микробам процветать в районах, пострадавших от разливов нефти, и играет важную роль в устранении загрязняющих окружающую среду веществ.

Нефтяная нефть содержит ароматические соединения, которые токсичны для большинства форм жизни. Эпизодическое и хроническое загрязнение окружающей среды нефтью вызывает серьезные нарушения местной экологической среды. Морская среда, в частности, особенно уязвима, поскольку разливы нефти вблизи прибрежных районов и в открытом море трудно сдерживать, что усложняет усилия по смягчению последствий. Помимо загрязнения в результате деятельности человека, около 250 миллионов литров нефти ежегодно попадают в морскую среду из-за естественных просачиваний. ^[10] Несмотря на свою токсичность, значительная часть нефтяной нефти, попадающей в морские системы, устраняется деятельностью микробных сообществ по разложению углеводородов, в частности, недавно обнаруженной группой специалистов, углеводородокластических бактерий (HCB). ^[11] Alcanivorax borkumensis был первым HCB, геном которого был секвенирован. ^[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

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 влияющей на экосистемы. Поскольку эти соединения являются обычными источниками углерода для многих различных микроорганизмов, их аэробная и анаэробная минерализация была тщательно изучена. Интерес этих исследований заключается в биотехнологическом применении ферментов, преобразующих стерол, для промышленного синтеза половых гормонов и кортикоидов. Совсем недавно катаболизм холестерина приобрел большую актуальность, поскольку он участвует в инфекционности патогена Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). ^{[1] [14]} Mtb вызывает туберкулез , и было показано, что новые архитектуры ферментов эволюционировали для связывания и модификации стероидных соединений, таких 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 биологической переработки отходов

Устойчивое развитие требует продвижения экологического менеджмента и постоянного поиска новых технологий для обработки огромного количества отходов, образующихся в результате растущей антропогенной деятельности. Биообработка, обработка 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 биообработки в строго контролируемых системах. Большая универсальность в конструкции замкнутых сред позволяет обрабатывать широкий спектр отходов в оптимизированных условиях. Для проведения правильной оценки необходимо учитывать различные микроорганизмы, имеющие различные геномы и экспрессированные транскрипты и белки. Часто требуется большое количество анализов. Используя традиционные геномные методы, такие оценки ограничены и требуют много времени. Однако несколько высокопроизводительных методов, изначально разработанных для медицинских исследований, могут быть применены для оценки биообработки в замкнутых средах. ^[17]

Метаболическая инженерия и биокаталитические приложения

Изучение судьбы стойких органических химикатов в окружающей среде выявило большой резервуар ферментативных реакций с большим потенциалом в препаративном органическом синтезе, который уже был использован для ряда оксигеназ в пилотном и даже в промышленном масштабе. Новые катализаторы могут быть получены из метагеномных библиотек и подходов, основанных на последовательностях ДНК . Наши растущие возможности в адаптации катализаторов к конкретным реакциям и требованиям процесса путем рационального и случайного мутагенеза расширяют сферу применения в тонкой химической промышленности, а также в области биодеградации . Во многих случаях эти катализаторы необходимо использовать в биоконверсиях целых клеток или в ферментациях , что требует системных подходов к пониманию физиологии штамма и метаболизма и рациональных подходов к проектированию целых клеток, поскольку они все чаще выдвигаются в области системной биотехнологии и синтетической биологии. ^[18]

Биодеградация грибков

В экосистеме различные субстраты подвергаются атакам с разной скоростью консорциумов организмов из разных царств. Aspergillus и другие плесневые грибы играют важную роль в этих консорциумах, поскольку они искусны в переработке крахмалов, гемицеллюлоз, целлюлоз, пектинов и других полимеров сахаров. Некоторые аспергиллы способны разлагать 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 обеспечивают пищей многие почвенные организмы. ^[19]

Для Aspergillus процесс деградации является средством получения питательных веществ. Когда эти плесневые грибки разрушают искусственные субстраты, этот процесс обычно называется биодеградацией. И бумага, и текстиль (хлопок, джут и лен) особенно уязвимы для деградации 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 Оньисанти были Aspergillus versicolor . ^[20]

Смотрите также

• Биодеградация
• Биоремедиация
• Биотрансформация
• Биодоступность
• Хемотаксис
• Микробиология
• Микробиология окружающей среды
• Промышленная микробиология

Ссылки

1. Koukkou, Anna-Irini, ed. (2011). Микробная биоремедиация неметаллов: текущие исследования . Caister Academic Press . ISBN 978-1-904455-83-7.
2. Диас, Эдуардо, ред. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
3. Маклеод MP, Элтис LD (2008). "Геномные идеи аэробных путей деградации органических загрязнителей". Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
4. Джагдер, Бат-Эрдене; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мэнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (2015). «Восстановительные дегалогеназы достигают зрелости в биологическом разрушении органогалогенидов». Тенденции в биотехнологии . 33 (10): 595–610. doi :10.1016/j.tibtech.2015.07.004. ISSN  0167-7799. PMID  26409778.
5. Cupples, AM, RA Sanford и GK Sims. 2005. Дегалогенирование бромоксинила (3,5-дибром-4-гидроксибензонитрила) и иоксинила (3,5-дииодино-4-гидроксибензонитрила) Desulfitobacterium chlororespirans . Appl. Env. Micro. 71(7):3741-3746.
6. Tor, J., C. Xu, JM Stucki, M. Wander, GK Sims. 2000. Деградация трифлуралина в условиях микробиологически индуцированного восстановления нитрата и Fe(III). Env. Sci. Tech. 34:3148-3152.
7. Heider J, Rabus R (2008). "Genomic Insights in the Anaerobic Biodegradation of Organic Pollutants". Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
8. O'Loughlin, E. J; Traina, SJ; Sims, GK (2000). «Влияние сорбции на биодеградацию 2-метилпиридина в водных суспензиях эталонных глинистых минералов». Environ. Toxicol. Chem . 19 (9): 2168–2174. doi :10.1002/etc.5620190904. S2CID  98654832.
9. Parales RE, et al. (2008). "Биодоступность, хемотаксис и транспорт органических загрязнителей". Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
10. IR MacDonald (2002). «Перенос углеводородов из естественных просачиваний в водную толщу и атмосферу». Geofluids . 2 (2): 95–107. doi : 10.1046/j.1468-8123.2002.00023.x .
11. 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. 
12. Мартинс дос Сантос ВА и др. (2008). «Геномные идеи биодеградации нефти в морских системах». В Диасе Э. (ред.). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
13. Sims, GK и EJ O'Loughlin. 1989. Деградация пиридинов в окружающей среде. CRC Critical Reviews in Environmental Control. 19(4): 309-340.
14. Випперман, Мэтью, Ф.; Сэмпсон, Николь, С.; Томас, Сюзанна, Т. (2014). «Патогеноидная ярость: использование холестерина микобактериями туберкулеза». Crit Rev Biochem Mol Biol . 49 (4): 269–93. doi :10.3109/10409238.2014.895700. PMC 4255906. PMID  24611808 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
15. Томас, СТ; Сэмпсон, НС (2013). «Mycobacterium tuberculosis использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина». Биохимия . 52 (17): 2895–2904. doi :10.1021/bi4002979. PMC 3726044. PMID  23560677 . 
16. Випперман, М.Ф.; Янг, М.; Томас, СТ.; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Уменьшение протеома FadE микобактерий туберкулеза: понимание метаболизма холестерина путем идентификации гетеротетрамерного семейства ацил-коэнзима А α2β2». J. Bacteriol . 195 (19): 4331–4341. doi :10.1128/JB.00502-13. PMC 3807453. PMID  23836861 . 
17. Ватанабе К, Касаи Й (2008). «Развивающиеся технологии анализа естественного затухания и биоремедиации». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
18. Мейер А., Панке С. (2008). «Геномика в метаболической инженерии и биокаталитические применения машин по разложению загрязняющих веществ». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
19. Мачида, Масаюки; Гоми, Кацуя, ред. (2010).Aspergillus : Молекулярная биология и геномика . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-53-0.
20. Беннетт Дж. В. (2010). «Обзор рода Aspergillus» (PDF) .Aspergillus : Молекулярная биология и геномика . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-53-0. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-06-17.