Микроорганизмы играют жизненно важную роль в бесчисленных процессах естественной трансформации, которые могут быть использованы для различных применений в экологической инженерии.
Некоторые из ключевых областей, где микробиотехнология приносит пользу экологической инженерии, включают биоремедиацию, биологическую очистку сточных вод, очистку биомусора, производство биогаза, а также улавливание и преобразование углерода. Из-за нарушений, связанных с изменением климата, усилением антропогенной деятельности и неэффективным управлением ресурсами, глобальные экосистемные функции и все их составляющие находятся под угрозой. Следовательно, существует необходимость в совершенствовании микробиотехнологий, благодаря усилиям ученых и инженеров, для более эффективного решения экологических, природоохранных и общественных проблем.
Ученые и инженеры только начинают полностью понимать и применять микробиотехнологии в качестве экологических решений в экспериментальном и полевом масштабе. Поэтому главная цель данного обзора - объединить мнения инженеров-практиков и профессиональных исследователей, чтобы помочь улучшить дорожную карту для перевода новых микробиологических, молекулярных и теоретических знаний, полученных с помощью передовых микробных инструментов, в инженерные принципы и приложения, чтобы обеспечить развитие микробиотехнологий в больших масштабах.
В данном обзоре представлено пять статей, которые освещают исследования, направленные на обнаружение, определение характеристик, выяснение и количественную оценку микробных процессов в природных или инженерных системах. Эти публикации также улучшают наши возможности понимания, моделирования и прогнозирования микробных процессов, тем самым оказывая положительное влияние на экологические решения.
Метаболомика стала мощным методом мониторинга и количественной оценки микробных процессов и продуктов в биологических системах с возрастающей сложностью. May et al. использовали сверхвысокоэффективную жидкостную хроматографию с масс-спектрометрией высокого разрешения (UPHLC-HRMS) для обнаружения и мониторинга биомаркеров, связанных с метаболомом консорциума биоаугментаторов SDC-9TM, преобразующих цис-1,2-дихлорэтен в винилхлорид и нетоксичный эфин.
Было обнаружено почти 10 000 спектральных признаков, 18 из которых статистически коррелировали с активностью дехлорирования. Кроме того, метаболомический подход показал, что метаболический процесс дехлорирования не подавляет общую функциональность консорциума микроорганизмов. Настоящее исследование иллюстрирует потенциал метаболомики как дополнительного или отдельного молекулярно-биологического инструмента для мониторинга и отслеживания биоремедиации подземных вод на участках, загрязненных хлорированными этенами. Хотя для выявления всех метаболических особенностей необходим дальнейший анализ с более высоким разрешением, знания и принципы, установленные в данном исследовании, являются важным первым шагом для развития метаболомических приложений биоремедиации в полевых условиях.
Электронные челноки служат важным средством для облегчения прямого межвидового переноса электронов, особенно для биодеградации, включая анаэробные системы биологической очистки. В обзоре Deng et al. авторы кратко описывают, как широкий спектр молекул и материалов может служить в качестве электронных челноков, включая цитохром C, рибофлавин, нанопроводники, гуминовые вещества, феназины, материалы на основе углерода (например, гранулированный активированный уголь, биосахар, наноматериалы) и материалы на основе металлов (например, нуль-валентное железо, Fe2O3 и AQDS).
Авторы подчеркивают важную, но недооцененную роль электронных челноков в усилении анаэробной обработки генов, резистентных к антибиотикам (ARGs). Электронные челноки, по-видимому, модулируют микробное сообщество, повреждая клеточную структуру ARG хозяина или деактивируя его мобильные генетические элементы, чтобы ослабить горизонтальный перенос генов ARG. Авторы обобщают потенциальные токсикологические и экологические риски для окружающей среды, экономическую эффективность для крупномасштабного применения, а также эффективность для среды с несколькими загрязнителями в качестве будущих направлений развития исследований. В последнее время электронные челноки на основе углерода или углеродно-металлических композитов все шире используются исследователями и инженерами в очистке сточных вод и органических твердых отходов от антибиотиков и ARGs.
В области ремедиации подземных вод стратегии и цели очистки могут быть эффективно достигнуты путем использования возможностей микроорганизмов по биотрансформации загрязняющих веществ в менее токсичные или нетоксичные конечные продукты. Однако эффективность биоремедиации ограничена неопределенной и сложной окружающей средой и непоследовательным мониторингом и отслеживанием.
Key et al. предложили систематическую и стандартизированную основу для применения молекулярно-биологических методов (МБМ), состоящую из трех этапов, аналогичных традиционным средствам мониторинга качества воды: оценка, разработка и мониторинг эффективности, с использованием подхода "множественных линий доказательств" (MLOE) для получения и интерпретации данных. Данные МБМ в полевых условиях могут генерироваться по градиентам подповерхностного слоя для разработки или уточнения концептуальных биогеохимических моделей конкретного участка, а этап проектирования должен руководствоваться данными MLOE при определении потенциальных мер по восстановлению конкретного участка. На этапе мониторинга эффективности основное внимание уделяется геохимическим параметрам и МБМ для оценки и улучшения понимания хода устранения последствий. В целом, предлагаемая система, основанная на анализе данных, более широко рассматривает динамику загрязнения недр и стремится уменьшить неопределенность, связанную с биогеохимическими процессами, тем самым повышая вероятность успешного осуществления биоремедиации.
В рамках концепции, представленной Key et al., Madison et al. обосновали разработку подхода к усиленной биоремедиации на участке с подземными водами, подвергшимися воздействию трихлорэтилена (ТХЭ). После первоначальной базовой геохимической и микробной характеристики был применен подход биостимуляции для усиления внутренней биоремедиации путем четырехкратного введения лактата натрия в три нагнетательные скважины, нацеленные на неглубокую и промежуточную части шлейфа, ближайшие к зоне источника. После инъекций концентрация ТХЭ снизилась, однако при повышенных концентрациях ТХЭ биоремедиация прекратилась.
Интересно, что остановка произошла из-за конкуренции между Dehalococcoides и местными микроорганизмами за субстраты для роста. Поэтому во время четвертой закачки в пласт был добавлен SDC-9TM (содержащий более 107 клеток Dehalococcoides/мл), и концентрация ТХЭ снизилась, в то время как концентрация этена возросла. Мониторинг эффективности показал, что естественное затухание было достаточным для достижения реабилитационных и нормативных целей; таким образом, участок был переведен на долгосрочную программу мониторинга. Это исследование продемонстрировало, что применение инструментов микробиотехнологии в сочетании с традиционным экологическим анализом может уменьшить неопределенность на участке, повысить эффективность биоремедиации и дать менеджерам участка и заинтересованным сторонам больше уверенности в управлении загрязненными участками.
Микробиотехнология также очень полезна в междисциплинарных областях. Yin et al. использовали секвенирование гена 16S рРНК в сочетании с филогенетическим исследованием сообществ путем реконструкции ненаблюдаемых состояний (PICRUSt) для оценки функции микробного сообщества с целью изучения воздействия азотистых побочных продуктов дезинфекции (ППД) на микрофлору кишечника, а также изучили воздействие на кишечный тракт мышей с помощью анализа активности ферментов.
Были исследованы три галонитрометана, данные показали наличие окислительного стресса и воспаления в тонком кишечнике мышей, о чем свидетельствует уменьшение сообществ, ассоциированных с генами супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы. Кроме того, общее микробное разнообразие было снижено, а различные галонитрометаны приводили к более высокому обилию различных видов флоры в каждом из этих состояний. Измененная кишечная флора продемонстрировала потенциальный дисбиоз и повреждение и нарушила иммунную функцию, что отразилось в окислительном стрессе и воспалительной реакции. Таким образом, применение микробиотехнологии может стать новым инструментом для диагностики и профилактики заболеваний и здоровья человека в контексте охраны окружающей среды, а также может привести к обнаружению малозаметных, подострых токсических воздействий и поддержать более обоснованное регулирование ППД.
В заключение следует отметить, что развитие и использование новых микробиотехнологий во многих дисциплинах находит признание как среди ученых, так и среди практиков, в масштабах применения от пилотного проекта до полевых работ. Потенциальные будущие направления охватывают развитие технологий биоремедиации или очистки и применение в самых разных масштабах. Сочетание традиционных микробных методов, метаомики (например, геномики, транскриптомики, метаболомики и протеомики) и биоинформатики в сочетании со статистикой больших данных и машинным обучением будет играть важную роль в углублении нашего понимания прикладных задач экологической инженерии.
