LO10: Εφαρμογή της Βιολογίας Συστημάτων στη βιοαποκατάσταση

Εισαγωγή

Οι περιβαλλοντικοί ρύποι έχουν γίνει ένα μείζον παγκόσμιο πρόβλημα, δεδομένης της παρουσίας των ανεπιθύμητων ενώσεων ανθεκτικών στη βιοαποικοδόμηση και των ξενοβιοτικών ενώσεων. Μία ποικιλία πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH), ξενοβιοτικών ενώσεων, χλωριωμένων και νιτροαρωματικών ενώσεων απεδείχθη ότι είναι πολύ τοξικές, μεταλλαξιογόνες και καρκινογόνες για τους ζώντες οργανισμούς.

Ορισμένες από τις πηγές αυτών των ρύπων είναι: χημικά (γεωργία, φαρμακευτικά προϊόντα κ.λπ.), πετροχημικά (διυλιστήρια πετρελαίου, διαρροές καυσίμων), μέταλλα (βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα, ναυπηγεία κ.λπ.), ενέργεια (σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής), βιομηχανίες εξόρυξης, και έργα ύδρευσης και αποχέτευσης. Αυτές οι μολυσματικές ουσίες έχουν επιπτώσεις στη φύση. Ενώ έχουν αναπτυχθεί διάφορες φυσικοχημικές διεργασίες για τη διαχείριση αυτών των ρύπων, αυτές οι προσεγγίσεις είναι συχνά απαγορευτικά δαπανηρές, μη ειδικές ή έχουν τη δυνατότητα να επιφέρουν δευτεροπαθή επιμόλυνση. Ωστόσο, ο μικροβιακός πληθυσμός μπορεί επίσης να αποικοδομήσει τους ρύπους και θεωρείται ως μία από τις πιο φιλικές προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτικές μεθόδους αποκατάστασης των οικοθέσεων (ή οικολογικών θώκων) που έχουν μολυνθεί από χημικούς ρύπους. Ως αποτέλεσμα, υπήρξε αυξημένο ενδιαφέρον για φιλικές προς το περιβάλλον βιολογικές “θεραπείες” αποκατάστασης που είναι κοινώς γνωστές ως βιοαποκατάσταση. Αν και η βιοαποκατάσταση έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα στάδια για περισσότερα από 60 χρόνια, όπως για παράδειγμα στη βιοαποικοδόμηση του πετρελαίου με την μέθοδο landfarming (απομάκρυνση ποσότητας εδάφους), έχει ιστορικά εφαρμοστεί ως μηχανική λύση «μαύρο κουτί» όπου προστίθενται βελτιώσεις (του εδάφους) και οι ρύποι αποικοδομούνται. Αυτή η προσέγγιση είναι συχνά επιτυχής, όμως συχνά τα αποτελέσματα είναι λιγότερο από επιθυμητά, δηλαδή ο ρύπος δεν αποικοδομείται ή παρόγονται πιο τοξικά παραπροϊόντα. Το κλειδί για την επιτυχή βιοαποκατάσταση είναι η αξιοποίηση της φυσικής καταβολικής ικανότητας των μικροβίων ώστε να καταλύουν τα προϊόντα μετασχηματισμού περιβαλλοντικών ρύπων.

Βιοαποκατάσταση

Η βιοαποκατάσταση είναι η εκμετάλλευση βιολογικών δραστηριοτήτων για τον μετριασμό (και, όπου είναι δυνατόν, πλήρης εξάλειψη) των επιβλαβών επιπτώσεων που προκαλούν οι περιβαλλοντικοί ρύποι σε δεδομένες τοποθεσίες. Εάν η διεργασία αποκατάστασης εφαρμόζεται στο σημείο που εντοπίζεται το πρόβλημα της ρύπανσης, τότε συμβαίνει ένα σενάριο in situ (επιτόπου) βιοαποκατάστασης. Αντίθετα, η σκόπιμη απομάκρυνση του ρυπασμένου υλικού (χώμα και νερό) και η μετακίνησή του σε διαφορετική περιοχή από την αρχική για την εντατικοποίηση της βιοκατάλυσης, αποτελεί τη μέθοδο ex situ βιοαποκατάστασης. Κατά την βιοαποκατάσταση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικροοργανισμοί με βιολογική δραστικότητα, συμπεριλαμβανομένων των φυκών, των βακτηριδίων, των μυκήτων και των ζυμών, στις φυσικά απαντώμενες μορφές τους.

Εικόνα 1. Τύποι μικροοργανισμών που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίεςβιοαποκατάστασης (Coelho et al. 2015).

Εικόνα 1. Τύποι μικροοργανισμών που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες βιοαποκατάστασης (Coelho et al. 2015).

Η Εικόνα 1 δείχνει τους κύριους τύπους μικροοργανισμών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις διεργασίες, βασισμένη σε αναζήτηση δημοσιεύσεων που αναφέρουν μικροοργανισμούς και μελέτες βιοαποικοδόμησης. Οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται πιο συχνά είναι βακτήρια και μύκητες, παρόλο που συχνά εφαρμόζονται και ζύμες και άλγη.

Τύποι οργανισμών που χρησιμοποιούνται στην βιοαποκατάσταση

Τυπικά, η βιοαποκατάσταση βασίζεται στη δράση του συμμεταβολισμού ενός οργανισμού ή μιας κοινότητας μικροοργανισμών. Σε αυτή τη διαδικασία, ο μετασχηματισμός (αποδόμηση) των ρύπων παρουσιάζει μικρή απόδοση ή κανένα ενεργειακό όφελος για το κύτταρο και επομένως αυτή η διαδικασία περιγράφεται ως μη-αποκλειστικός βιομετασχηματισμός. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι πολλοί οργανισμοί (προκαρυωτικοί και ευκαρυωτικοί) έχουν φυσική ικανότητα να απορροφούν τοξικά ιόντα βαρέων μετάλλων. Παραδείγματα μικροοργανισμών που μελετήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στρατηγικά σε διεργασίες βιοαποκατάστασης για βαρέα μέταλλα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: (1) βακτήρια: Arthrobacter spp., Pseudomonas veronii (Vullo κ.ά., 2008), Burkholderia spp., Kocuria flava, Bacillus cereus και Sporosarcina, (2) μύκητες: Penicillium canescens, Aspergillus versicolor και Aspergillus fumigatus, (3) άλγη: Cladophora fascicularis, Spirogyra spp., Cladophora spp., Spirogyra spp. και Spirullina spp. και (4) ζύμη: Saccharomyces cerevisiae και Candida utilis. Οι προκαρυώτες (βακτήρια και αρχαία) διακρίνονται από τους ευκαρυώτες (πρώτιστα, φυτά, μύκητες και ζώα). Η κυτταρική δομή των ευκαρυωτών χαρακτηρίζεται από την παρουσία ενός πυρήνα και άλλων οργανιδίων που εσωκλείονται από τη κυτταρική μεμβράνη. Επίσης, τα ριβοσώματα των προκαρυωτικών οργανισμών είναι μικρότερα (70S) από ότι στους ευκαρυώτες (80S). Ο τρόπος με τον οποίο οι μικροοργανισμοί αλληλεπιδρούν με ιόντα βαρέων μετάλλων εξαρτάται εν μέρει από το εάν είναι ευκαρυωτικοί ή προκαρυωτικοί, όπου οι ευκαρυώτες είναι περισσότερο ευαίσθητοι σε τοξικότητα μετάλλων από ό,τι οι προκαρυώτες. Οι πιθανοί τρόποι αλληλεπίδρασης είναι (α) η ενεργή εξώθηση του μετάλλου, (β) η ενδοκυτταρική χηλίωση (σε ευκαρυώτες) από διάφορα πεπτίδια που δεσμεύουν τα μέταλλα και (γ) ο μετασχηματισμός σε άλλα χημικά είδη με μειωμένη τοξικότητα. Για να είναι αποτελεσματική η βιοαποκατάσταση, οι μικροοργανισμοί πρέπει να “επιτίθενται” ενζυματικά στους ρύπους και να τις μετατρέπουν σε αβλαβή προϊόντα. Τα βακτήρια και οι ανώτεροι οργανισμοί έχουν αναπτύξει μηχανισμούς που σχετίζονται με την ανθεκτικότητα στα τοξικά μέταλλα και τα καθιστούν αβλαβή. Διάφορα μικρόβια, συμπεριλαμβανομένων των αερόβιων, των αναερόβιων και των μυκήτων, εμπλέκονται στη διαδικασία ενζυμικής αποικοδόμησης. Τα περισσότερα συστήματα βιοαποκατάστασης πραγματοποιούνται υπό αερόβιες συνθήκες, αλλά οι αναερόβιες συνθήκες καθιστούν δυνατή την αποικοδόμηση ανθεκτικών στην βιοαποικοδόμηση μορίων από οργανισμούς μικροβίων. Επειδή μπορεί να υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι ρύπων σε μια ρυπασμένη περιοχή, απαιτούνται διάφοροι τύποι μικροοργανισμών για την αποτελεσματική αποκατάσταση. Ορισμένοι τύποι μικροοργανισμών είναι σε θέση να αποικοδομούν υδρογονάνθρακες πετρελαίου και να τις χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα και ενέργειας. Ωστόσο, η επιλογή των οργανισμών είναι μεταβλητή, ανάλογα με τη χημική φύση των ρυπαντικών παραγόντων, και πρέπει να επιλεγούν προσεκτικά, καθώς επιβιώνουν μόνο παρουσία περιορισμένου εύρους χημικών ρύπων. Η αποτελεσματικότητα της διεργασίας αποικοδόμησης σχετίζεται με το δυναμικό του συγκεκριμένου μικροοργανισμού να εισάγει μοριακά οξυγόνο στον υδρογονάνθρακα και να παράγει τα ενδιάμεσα προϊόντα που στη συνέχεια εισέρχονται στη γενική ενεργειακή μεταβολική οδό του κυττάρου. Ορισμένα βακτήρια αναζητούν τον ρύπο και κινούνται προς αυτόν, επειδή έχουν τη δυνατότητα ως μια χημειοτακτική απόκριση. Πολλοί μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα έλαια ως πηγή τροφής και πολλοί από αυτούς παράγουν ισχυρές επιφανειοδραστικές ενώσεις που μπορούν να γαλακτωματοποιήσουν το έλαιο στο νερό και έτσι να διευκολύνουν την απομάκρυνσή του. Τα βακτήρια που μπορούν να αποικοδομήσουν προϊόντα πετρελαϊου περιλαμβάνουν είδη όπως Pseudomonas, Aeromonas, Moraxella, Beijerinckia, Flavobacteria, Chrobacteria, Nocardia, Corynebacteria, Modococci, Streptomyces, Bacilli, Arthrobacter, Aeromonas και κυανοβακτήρια και μερικές ζύμες. Για παράδειγμα, το Pseudomonas putida MHF 7109 μπορεί να απομονωθεί από τη μικροβιακή κοινότητα σε κόπρανα βοοειδών για τη βιοαποικοδόμηση επιλεγμένων ενώσεων πετρελαϊκού υδρογονάνθρακα, όπως το βενζόλιο, το τολουόλιο και το ο-ξυλόλιο (BTX).

Στρατηγικές βιοαποκατάστασης

Σε πολλές περιπτώσεις, η εξυγίανση των επιμολυσμένων περιοχών έχει πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας φυσικές και χημικές μεθόδους όπως η ακινητοποίηση, η αφαίρεση (dig and dump, σκάβω και πετάω), η θερμική επεξεργασία και η επεξεργασία με διαλύτες. Ωστόσο, η πρόοδος στη βιοτεχνολογία έχει επιφέρει την ανάπτυξη βιολογικών μεθόδων αποικοδόμησης και απομάκρυνσης ρύπων, μια διαδικασία γνωστή ως βιοαποκατάσταση. Δυνητικά η βιοαποκατάσταση είναι φθηνότερη από τις χημικές και φυσικές επιλογές, και μπορεί να αντιμετωπίσει αποτελεσματικότερα χαμηλότερες συγκεντρώσεις ρύπων, αν και η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει περισσότερο.

Οι στρατηγικές για τη βιοαποκατάσταση τόσο του εδάφους όσο και του νερού μπορεί να είναι οι εξής:

  • Η χρήση του αυτόχθονου μικροβιακού πληθυσμού
  • Η ενθάρρυνση του αυτόχθονου πληθυσμού
  • Η βιοαύξηση, η προσθήκη μη–αυτοχθόνων προσαρμοσμένων ή σχεδιασμένων μικροοργανισμών με εμβολιασμό στις διεργασίες της βιοεξυγίανσης
  • Η προσθήκη γενετικώς τροποποιημένων μικροοργανισμών
  • Η φυτοθεραπεία

Εάν η διεργασία αποκατάστασης εφαρμόζεται στο σημείο που εντοπίζεται το πρόβλημα της ρύπανσης, τότε συμβαίνει in situ (επιτόπου) βιοαποκατάσταση. Αντίθετα, η σκόπιμη απομάκρυνση του ρυπασμένου υλικού (χώμα και νερό) και η μετακίνησή του σε διαφορετική περιοχή από την αρχική για την εντατικοποίηση της βιοκατάλυσης, αποτελεί τη μέθοδο ex situ βιοαποκατάστασης.

In situ και ex situ μέθοδοι

Οι τεχνολογίες βιοαποκατάστασης μπορούν γενικά να ταξινομηθούν ως ex situ και in situ. Οι τεχνολογίες ex situ είναι εκείνες οι διεργασίες που περιλαμβάνουν τη φυσική απομάκρυνση του ρυπασμένου υλικού και υφίσταται επεξεργασία αφού μεταφερθεί σε άλλη περιοχή.

Εάν η διαδικασία εξυγίανσης πραγματοποιείται στην ίδια περιοχή που προσβάλλεται από τη ρύπανση, τότε συμβαίνει in situ (επιτόπου) βιοαποκατάσταση. Αυτές οι τεχνικές είναι γενικά οι πλέον επιθυμητές επιλογές λόγω του χαμηλότερου κόστους και της μικρότερης διαταραχής στην περιοχή, δεδομένου ότι παρέχουν την επιτόπου επεξεργασία, αποφεύγοντας την εκσκαφή και τη μεταφορά ρύπων. Η in situ (επιτόπου) βιοαποκατάσταση περιορίζεται από το βάθος του εδάφους που μπορεί να επεξεργαστεί αποτελεσματικά. Σε πολλά εδάφη, η αποτελεσματική διάχυση οξυγόνου με τους επιθυμητούς ρυθμούς βιοαποκατάστασης εκτείνεται σε ένα εύρος μόνο μερικών εκατοστών έως περίπου 30 cm στο έδαφος, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά σε βάθος 60 cm και άνω. Οι πιο σημαντικές διεργασίες επεξεργασίας του εδάφους είναι:

Ο βιοαερισμός (Bioventing) είναι η πιο κοινή in situ διεργασία και περιλαμβάνει την παροχή αέρα και θρεπτικών ουσιών μέσω σωληνώσεων στο ρυπασμένο έδαφος για την τόνωση της ενδογενούς μικροβιακής κοινότητας. Η μέθοδος του βιοαερισμού χρησιμοποιεί χαμηλές ροές αέρα και παρέχει μόνο την ποσότητα οξυγόνου που είναι απαραίτητη για τη βιοαποικοδόμηση, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την πτητικότητα και την έκλυση ρύπων στην ατμόσφαιρα. Λειτουργεί για απλούς υδρογονάνθρακες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν η μόλυνση είναι σε βάθος κάτω από την επιφάνεια.

Η in situ βιοαποκατάσταση χρησιμοποιεί την παροχή οξυγόνου και θρεπτικών συστατικών με κυκλοφορούντα υδατικά διαλύματα στα ρυπασμένα εδάφη για την τόνωση της φυσικής μικροχλωρίδας τους και την αποδόμηση των οργανικών ρύπων. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το έδαφος και τα υπόγεια ύδατα. Γενικά, αυτή η τεχνική περιλαμβάνει συνθήκες όπως η διείσδυση θρεπτικών ουσιών που περιέχει το νερό και οξυγόνο ή άλλων δεκτών ηλεκτρονίων για την επεξεργασία των υπογείων υδάτων.

Η μέθοδος αερισμού (Biosparging) περιλαμβάνει την έγχυση αέρα υπό πίεση κάτω από την επιφάνεια του νερού για να αυξήσει τις συγκεντρώσεις οξυγόνου στα υπόγεια ύδατα και να αυξήσει το ρυθμό της βιολογικής αποδόμησης των ρύπων από τη φυσική μικροχλωρίδα του εδάφους. Η μέθοδος αυτή αυξάνει την ανάμιξη στην κορεσμένη ζώνη αυξάνοντας την επαφή μεταξύ εδάφους και υπογείων υδάτων. Η ευκολία και το χαμηλό κόστος εγκατάστασης σωληνώσεων έγχυσης αέρα μικρής διαμέτρου επιτρέπουν σημαντικά την ευελιξία στο σχεδιασμό και την κατασκευή του συστήματος.

Η βιοαύξηση (Bioaugmentation) συχνά περιλαμβάνει την προσθήκη επιλεγμένων ενδογενών ή εξωγενών μικροοργανισμών στις ρυπασμένες περιοχές. Δύο παράγοντες περιορίζουν τη χρήση των προστιθέμενων μικροβιακών καλλιεργειών σε μια μονάδα επεξεργασίας εδάφους: 1) οι μη ενδογενείς καλλιέργειες σπάνια ανταγωνίζονται αρκετά καλά με έναν αυτόχθονο πληθυσμό ώστε να αναπτύξουν και να διατηρήσουν χρήσιμα επίπεδα πληθυσμού και 2) τα περισσότερα εδάφη με μακροχρόνια έκθεση σε βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα έχουν ενδογενείς μικροοργανισμούς που αποδομούν αποτελεσματικά τους ρύπους εάν η μονάδα επεξεργασίας εδάφους διαχειρίζεται καλά.

H ex situ βιοαποκατάσταση είναι η σκόπιμη μετεγκατάσταση του ρυπασμένου υλικού (χώμα και νερό) σε διαφορετική περιοχή για την εντατικοποίηση της βιοκατάλυσης. Αυτές οι τεχνικές περιλαμβάνουν την ανασκαφή ή την απομάκρυνση και μεταφορά του εδάφους ή του ρυπασμένου υποστρώματος από το έδαφος.

Η μέθοδος Landfarming (απομάκρυνσης ποσότητας εδάφους) είναι μια απλή τεχνική με την οποία ρυπασμένα εδάφη συλλέγονται με ανασκαφή και διασκορπίζονται σε μια προκατασκευασμένη κλίνη και περιοδικά αναμοχλεύονται μέχρι την αποδόμηση των ρύπων. Ο στόχος είναι να διεγερθούν οι ενδογενείς βιοαποικοδομητικοί μικροοργανισμοί και να διευκολυνθεί η αερόβια αποικοδόμησή τους. Γενικά, η διεργασία περιορίζεται στην εξυγίανση επιφανειακού εδάφους 10-35cm. Δεδομένου ότι η διεργασία αυτή έχει τη δυνατότητα να μειώσει το κόστος παρακολούθησης και συντήρησης, καθώς και τις υποχρεώσεις καθαρισμού, έχει λάβει μεγάλη προσοχή ως εναλλακτική λύση αποκομιδής.

Η κομποστοποίηση (Composting) είναι μια τεχνική που συνδυάζει ρυπασμένο έδαφος με μη επικίνδυνα οργανικά βελτιωτικά όπως κοπριά ή γεωργικά απόβλητα. Η παρουσία αυτών των οργανικών υλικών υποστηρίζει την ανάπτυξη ενός πλούσιου μικροβιακού πληθυσμού και αυξημένης θερμοκρασίας χαρακτηριστικής της κομποστοποίησης.

Οι βιοσωροί (Biopiles) είναι ένα υβρίδιο της μεθόδου Landfarming και της κομποστοποίησης. Ουσιαστικά, τα επεξεργασμένα κύτταρα κατασκευάζονται ως αεριζόμενοι κομποστ σωροί. Τυπικά χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία της επιφανειακής ρύπανσης με πετρελαϊκούς υδρογονάνθρακες που είναι μια εκλεπτυσμένη εκδοχή της μεθόδου Landfarming που τείνει να ελέγχει τις φυσικές απώλειες των ρύπων από την έκπλυση και την πτητικότητα. Οι βιοσωροί παρέχουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για τους ενδογενείς αερόβιους και αναερόβιους μικροοργανισμούς.

Βιοαντιδραστήρες. Οι βιοαντιδραστήρες ιλύος (Slurry) ή οι υδατικοί βιοαντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για την ex situ επεξεργασία ρυπασμένου εδάφους και νερού που αντλείται από ρυπασμένο πλούμιο. Η βιοαποκατάσταση σε αντιδραστήρες περιλαμβάνει την επεξεργασία ρυπασμένου στερεού υλικού (χώμα, ιζήματα, λάσπη) ή νερού μέσω ενός μηχανικού συστήματος συγκράτησης. Ένας βιοαντιδραστήρας slurry μπορεί να οριστεί ως δοχείο συγκράτησης και συσκευή που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας συνθήκης ανάμιξης τριών φάσεων (στερεών, υγρών και αερίων) για να αυξηθεί ο ρυθμός βιοαποδόμησης των ρύπων που εντοπίζονται στο έδαφος και των υδατοδιαλυτών ρύπων, καθώς η υδαρής λάσπη (ιλύς) του ρυπασμένου εδάφους και βιομάζας (συνήθως ενδογενείς μικροοργανισμοί) είναι ικανά να αποδομήσουν τους ρύπους-στόχους. Γενικά, ο ρυθμός και η έκταση της βιοαποικοδόμησης είναι μεγαλύτεροι σε ένα σύστημα βιοαντιδραστήρα από ό,τι in situ ή σε συστήματα στερεάς φάσης, επειδή το περιορισμένο περιβάλλον είναι πιο διαχειρίσιμο και επομένως περισσότερο ελεγχόμενο και προβλέψιμο. Παρά τα πλεονεκτήματα των συστημάτων αντιδραστήρων, υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα. Το ρυπασμένο έδαφος απαιτεί προεπεξεργασία (π.χ. ανασκαφή) ή εναλλακτικά ο ρύπος μπορεί να διαφύγει από το έδαφος μέσω έκπλυσης του εδάφους ή φυσικής εκχύλισης (π.χ. εκχύλιση υπό κενό) προτού τοποθετηθεί σε βιοαντιδραστήρα. Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τις μεθόδους βιοαποκατάστασης.

Πίνακας 1. Συνοπτική παρουσίαση των μεθόδων βιοεξυγίανσης

Μέθοδος Παραδείγματα Οφέλη Περιορισμοί Συνεκτιμώμενοι παράγοντες
In situ In situ βιοαποκατάσταση Αερισμός Βιοαερισμός Βιοαύξηση Μικρό κόστος Σχεδόν παθητική μέθοδος Περιβαλλοντικοί περιορισμοί Μεγάλος χρόνος επεξεργασίας Δύσκολη παρακολούθηση Ικανότητα βιοαποικοδόμησης των ενδογενών μικροοργανισμών Παρουσία μετάλλων και άλλων ανόργανων Περιβαλλοντικές παράμετροι Βιοδιασπασιμότητα των ρύπων ∆ιαλυτότητα Γεωλογικοί παράγοντες Κατανομή ρύπων
Για επεξεργασία εδαφών και νερού
Ex situ Landfarming Κομποστοποίηση Βιοσωροί Μικρό κόστος Καλή απόδοση Εφαρμόζονται και on site Απαιτήσεις χώρου Μεγάλος χρόνος επεξεργασίας Ανάγκη για έλεγχο της αβιοτικής απώλειας Προβλήματα μεταφοράς μάζας Περιορισμοί βιοδιαθεσιμότητας Όμοια με ανωτέρω
Βιοαντιδραστήρες Βιοαντιδραστήρας Slurry Υδατικοί βιοαντιδραστήρες Αυξημένες ταχύτητες αποδόμησης Βέλτιστες περιβαλλοντικές συνθήκες Ενισχυμένη μεταφορά μάζας Αποτελεσματική χρήση μικροβιακών εμβολίων και επιφανειοδραστικών παραγόντων Απαιτείται εκσκαφή εδάφους Σχετικά υψηλό κόστος κεφαλαίου Σχετικά υψηλό κόστος λειτουργίας Όμοια με ανωτέρω Βιοαύξηδη Τοξικότητα Τοξικές συγκεντρώσεις των ρύπων

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της βιοαποκατάστασης

Πλεονεκτήματα

  • Η βιοαποικοδόμηση είναι μια φυσική διεργασία και ως εκ τούτου γίνεται αντιληπτή από το κοινό ως μια αποδεκτή διαδικασία επεξεργασίας αποβλήτων για ρυπασμένο υλικό όπως το έδαφος. Η μικροβιακή κοινότητα που αποδομεί τους ρύπους αυξάνεται παρουσία του ρύπου, και όταν ο ρύπος αποδομείται μειώνεται η μικροβιακή κοινότητα. Τα κατάλοιπα της διεργασίας είναι συνήθως αβλαβή προϊόντα και περιλαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και κυτταρική βιομάζα.
  • Θεωρητικά, η βιοαποκατάσταση είναι χρήσιμη για την πλήρη αποδόμηση μιας μεγάλης ποικιλίας ρύπων. Πολλές ενώσεις που νομικά θεωρούνται επικίνδυνες μπορούν να μετατραπούν σε αβλαβή προϊόντα. Έτσι εξαλείφεται η πιθανότητα μελλοντικής ευθύνης που συνδέεται με την επεξεργασία και την αποκομιδή του ρυπασμένου υλικού.
  • Αντί να μεταφέρονται οι ρύποι από ένα περιβαλλοντικό μέσο σε άλλο, για παράδειγμα, από το έδαφος στο νερό ή τον αέρα, είναι δυνατή η πλήρης “καταστροφή” των ρύπων-στόχων.
  • Η βιοεξυγίανση συχνά μπορεί να πραγματοποιείται επί τόπου (on site), χωρίς να προκαλείται σημαντική διαταραχή των φυσιολογικών δραστηριοτήτων. Αυτό εξαλείφει επίσης την ανάγκη μεταφοράς ποσοτήτων των αποβλήτων εκτός του χώρου (off site) και έτσι των πιθανών απειλών που μπορεί να προκύψουν κατά τη μεταφορά για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον.
  • Η βιοεξυγίανση μπορεί να αποδειχθεί λιγότερο δαπανηρή από άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων.

Μειονεκτήματα

  • Η βιοαποκατάσταση περιορίζεται σε εκείνες τις ενώσεις που είναι βιοαποικοδομήσιμες. Δεν είναι όλες οι ενώσεις επιδεκτικές σε ταχεία και πλήρη αποδόμηση.
  • Υπάρχουν κάποιες ανησυχίες ότι τα προϊόντα βιοαποικοδόμησης ενδέχεται να είναι πιο ανθεκτικά ή τοξικά από τα αρχικά.
  • Οι βιολογικές διεργασίες είναι συχνά ιδιαίτερα εξειδικευμένες. Απαιτούνται σημαντικοί παράγοντες τοποθέτησης για να επιτύχει η διαδικασία, συμπεριλαμβανομένης της παρουσίας μεταβολικά ικανού μικροβιακού πληθυσμού, των κατάλληλων συνθηκών περιβαλλοντικής ανάπτυξης, και των κατάλληλων επιπέδων σε θρεπτικά και ρύπους.
  • Είναι δύσκολη η επέκταση της διεργασίας από μελέτες εργαστηριακής/προ-πιλοτικής (bench scale) όσο και πιλοτικής (pilot scale) κλίμακας σε επιτόπιες εργασίες πλήρους κλίμακας.
  • Απαιτείται έρευνα για την ανάπτυξη τεχνολογιών βιοαποκατάστασης κατάλληλων για περιοχές με πολύπλοκα μείγματα ρύπων που δεν διαχέονται ομοιόμορφα στο περιβάλλον.

Οι ρύποι μπορεί να υπάρχουν ως στερεά, υγρά και αέρια.

  • Η βιοεξυγίανση συχνά διαρκεί περισσότερο από άλλες επιλογές επεξεργασίας, όπως η ανασκαφή και απομάκρυνση του εδάφους ή η αποτέφρωση.
  • Δεν υπάρχει αποδεκτός ορισμός του "καθαρού", η αξιολόγηση της απόδοσης της βιοαποκατάστασης είναι δύσκολη, και δεν υπάρχουν αποδεκτά τελικά σημεία ελέγχου για τις διεργασίες της βιοαποκατάστασης (Vidali, 2001).

Περιβαλλοντικοί παράγοντες για τη βιοαποκατάσταση

Θρεπτικά συστατικά

Παρόλο που υπάρχουν μικροοργανισμοί στο ρυπασμένο έδαφος, δεν είναι απαραίτητο να υπάρχουν σε ικανό αριθμό που απαιτείται για την βιοεξυγίανση της περιοχής. Πρέπει να διεγερθεί η ανάπτυξη και η δραστηριότητά τους. Η βιοδιέγερση συνήθως περιλαμβάνει την προσθήκη θρεπτικών ουσιών και οξυγόνου για να βοηθήσουν τους ενδογενείς μικροοργανισμούς. Αυτά τα θρεπτικά συστατικά είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της ζωής και επιτρέπουν στα μικρόβια να παράγουν τα απαραίτητα ένζυμα για να αποδομήσουν τους ρύπους. Όλοι οι μικροοργανισμοί χρειάζονται άζωτο, φωσφόρο και άνθρακα. Ο άνθρακας είναι το πιο βασικό στοιχείο των ζωντανών μορφών και απαιτείται σε μεγαλύτερες ποσότητες από άλλα στοιχεία. Εκτός από το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο συνιστά περίπου το 95% του βάρους των κυττάρων.

Ο φωσφόρος και το θείο συμβάλλουν με το 70% των υπολοίπων. Η διατροφική απαίτηση του λόγου άνθρακα προς άζωτο είναι 10:1, και ο άνθρακας προς φωσφόρο είναι 30:1.

Περιβαλλοντικές απαιτήσεις

Η μικροβιακή ανάπτυξη και δραστηριότητα επηρεάζονται άμεσα από το pΗ, τη θερμοκρασία και την υγρασία. Αν και οι μικροοργανισμοί έχουν επίσης απομονωθεί σε ακραίες συνθήκες, οι περισσότεροι από αυτούς αναπτύσσονται βέλτιστα σε ένα στενό εύρος συνθηκών, και έτσι είναι σημαντικό να επιτυγχάνονται οι βέλτιστες συνθήκες. Εάν το έδαφος είναι πολύ όξινο, απαιτείται η προσθήκη ασβέστη για να περιορίσει το όξινο pH. Η θερμοκρασία επηρεάζει τα ποσοστά των βιοχημικών αντιδράσεων, και διπλασιάζονται τα ποσοστά πολλών αντιδράσεων για κάθε αύξηση θερμοκρασίας κατά 10°C. Πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, όμως, τα κύτταρα δεν επιβιώνουν. Η επίστρωση με πλαστικό κάλυμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της ηλιακής θέρμανσης στα τέλη της άνοιξης, το καλοκαίρι και το φθινόπωρο. Το διαθέσιμο νερό είναι επίσης απαραίτητο για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και η άρδευση χρειάζεται για να επιτευχθεί το βέλτιστο επίπεδο υγρασίας. Η ποσότητα του διαθέσιμου οξυγόνου θα καθορίσει αν το σύστημα είναι αερόβιο ή αναερόβιο. Οι υδρογονάνθρακες αποικοδομούνται εύκολα υπό αερόβιες συνθήκες, ενώ οι χλωριωμένες ενώσεις αποικοδομούνται μόνο σε αναερόβιες. Για να αυξηθεί η ποσότητα οξυγόνου στο έδαφος είναι δυνατή η παροχή αέρα (βιοψεκασµός οξυγόνου). Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορούν να εισαχθούν στο περιβάλλον το υπεροξείδιο του υδρογόνου ή το υπεροξείδιο του μαγνησίου. Η δομή του εδάφους ελέγχει την αποτελεσματική παροχή αέρα, νερού και θρεπτικών ουσιών. Η διαπερατότητα του εδάφους, ένας από τους παράγοντες που ελέγχουν την αποτελεσματικότητα όλων των in situ μεθόδων επεξεργασίας. Για να βελτιωθεί η δομή του εδάφους, μπορούν να εφαρμοστούν υλικά όπως ο γύψος ή η οργανική ύλη. Η χαμηλή διαπερατότητα του εδάφους μπορεί να παρεμποδίσει την κίνηση του νερού, των θρεπτικών ουσιών και του οξυγόνου που εισάγονται στο έδαφος. Ως εκ τούτου, τα εδάφη με χαμηλή διαπερατότητα ενδέχεται να μην είναι κατάλληλα για μεθόδους in situ βιοεξυγίανσης.

Επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στη βιοαποκατάσταση

Προηγούμενες μελέτες των δοκιμών βιοαποκατάστασης δεν πραγματοποιήθηκαν υπό φυσικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, ποτέ δεν αναμένονταν οι επιπτώσεις των περιβαλλοντικών παραγόντων στη διεργασία της βιοεξυγίανσης. Ωστόσο, μετά από τη διερεύνηση της in situ βιοαποκατάστασης, είναι πλέον κατανοητό ότι η διαδικασία της βιοαποκατάστασης επηρεάζεται σημαντικά από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως το φυσιολογικό και χημικό περιβάλλον του ρυπασμένου περιβάλλοντος, η βιοδιαθεσιμότητα των θρεπτικών συστατικών, η συγκέντρωση και οι ιδιότητες των ρύπων που συνυπάρχουν, το επίπεδο της ρύπανσης, η οργάνωση της ενδογενούς μικροβιακής κοινότητας. Διάφοροι αβιοτικοί και βιοτικοί παράγοντες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιοαποκατάσταση. Οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις τους συμβαίνουν σε συγκεκριμένες αβιοτικές συνθήκες, οι οποίες καθορίζονται από τις φυσικοχημικές συνθήκες όπως η παροχή Ο2, μεταφορά ηλεκτρονίων, νερό, θερμοκρασία, pH, συγκέντρωση άλατος. Οι παραπάνω περιβαλλοντικοί παράγοντες καθορίζουν τη δυναμική των δομών της ενδογενούς μικροβιακής κοινότητας μαζί με τη διαθεσιμότητα μιας δεδομένης πηγής χημικών και ενέργειας.

Οι παράγοντες που παίζουν ρόλο στη διαδικασία της βιοαποκατάστασης περιλαμβάνουν περισσότερα στοιχεία από τους βιολογικούς καταλύτες και τους ρύπους που συζητήθηκαν παραπάνω. Οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις τους συμβαίνουν σε συγκεκριμένες αβιοτικές ρυθμίσεις που ορίζονται από ένα σύνολο φυσικοχημικών συνθηκών: τάση του Ο2, δέκτες ηλεκτρονίων, νερό, θερμοκρασία, κοκκοποίηση, και άλλα, πολλά από τα οποία αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου και την πορεία της κατάλυσης. Τέτοιες αβιοτικές συνθήκες καθορίζουν τη σύνθεση του είδους των ενδογενών μικροβιακών κοινοτήτων όσο (ή περισσότερο από) η διαθεσιμότητα συγκεκριμένων χημικών ειδών όπως ο άνθρακας και η πηγή ενέργειας. Η βιοαποκατάσταση είναι μια πολύπλοκη περίπτωση διεργασιών η οποία δεν είναι επιδεκτική στις τυπικά αναγωγικές προσεγγίσεις (π.χ. μία ένωση, ένα στέλεχος, και μία οδός) που έχουν κυριαρχήσει σε πολλές μελέτες για τη βιοαποικοδόμηση. Πώς να ξεπεραστεί αυτό το αδιέξοδο;

Δεδομένου ότι τα μικρόβια είναι η κινητήρια δύναμη της βιοαποκατάστασης, οι μεταβολές στη σύνθεση και τη δραστηριότητα μιας μικροβιακής κοινότητας μπορεί να επηρεάσουν την πορεία ενός ρύπου στο περιβάλλον. Πρόσφατες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει προσεγγίσεις αλληλούχισης νέας γενιάς για την καλύτερη κατανόηση των μικροβιακών κοινοτήτων που εμπλέκονται σε διάφορες παρεμβάσεις βιοαποκατάστασης. Αυτές οι προσεγγίσεις έχουν επεκτείνει σε μεγάλο βαθμό την κατανόηση των μικροβιακών διεργασιών που εμπλέκονται στη βιοαποκατάσταση, καθώς και τις επιπτώσεις των διαφόρων στρατηγικών απόκρισης για τον εξυγίανση των ρύπων. Η χρήση των τεχνικών της μοριακής βιολογίας και της μεταγονιδιωματικής έχει επίσης διευρύνει σημαντικά την κατανόηση των βιολογικών συστημάτων που βρίσκονται σε αυτά τα ρυπασμένα περιβάλλοντα και σε πολλές περιπτώσεις έχει βελτιώσει σημαντικά την κατανόηση του κόσμου των μικροβίων. Εδώ, επιδιώκουμε να παράσχουμε ένα βασικό υπόβαθρο για τις μεταγονιδιωματικές προσεγγίσεις και να συνοψίσουμε τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιήθηκαν αυτά τα εργαλεία για την κατανόηση των ρυπασμένων περιβαλλόντων σε μια προσπάθεια να ενημερωθούν οι βέλτιστες πρακτικές για την εξυγίανση του περιβάλλοντος.

Η βιοαποκατάσταση απαιτεί την ενσωμάτωση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων από διάφορες πηγές: χημική δομή και δραστικότητα των οργανικών ενώσεων· αλληλουχία, δομή και λειτουργία των πρωτεϊνών (ένζυμα)· συγκριτική γονιδιωματική· περιβαλλοντική μικροβιολογία, και ούτω καθεξής.

Βιολογία συστημάτων

Η διαδικασία της βιοαποικοδόμησης χρησιμοποιεί μια μικροβιακή κοινότητα για την εκκαθάριση της περιβαλλοντικής ρύπανσης. Τα ποσοστά αποτοξίνωσης των ρύπων εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, όπως η σύνθεση της φυσικής μικροβιακής κοινότητας, οι περιβαλλοντικές συνθήκες, και η φύση του ρύπου. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση της βιοαποκατάστασης απαιτεί συνδυασμούς πολύπλοκων μεταβλητών για να κατανοήσουμε και να προβλέψουμε την πορεία των περιβαλλοντικών ρύπων. Η βιολογία συστημάτων - η μελέτη των ιδιοτήτων των συστηματικών και δυναμικών αλληλεπιδράσεων σε ένα βιολογικό σύστημα έχει χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών συστημάτων και για το πώς θα ανταποκριθούν σε διάφορες διαταραχές. Μια προσέγγιση της βιολογίας των συστημάτων για την κατανόηση των περιβαλλοντικών συστημάτων και της βιοαποκατάστασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση των σύνθετων περιβαλλοντικών μικροβιακών κοινοτήτων και των περιβαλλοντικών περιορισμών στην αποδόμηση των ρύπων.

Υπάρχει ανάγκη in silico μελέτης για την πρόβλεψη των πιθανών οδών αποδόμησης χρησιμοποιώντας διάφορα υπολογιστικά εργαλεία. Υπάρχει μεγάλος αριθμός βάσεων δεδομένων και προγραμμάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών διαθέσιμων για την εκτέλεση της υπολογιστικής ανάλυσης για την υποβοήθηση της ανάπτυξης και της εφαρμογής της μικροβιακής βιοαποκατάστασης. Τα τεράστια δεδομένα από τη βιολογία κυρίως με τη μορφή αλληλουχιών DNA, RNA και πρωτεϊνών επιφέρουν μεγάλη ζήτηση σε υπολογιστές και επιστήμονες. Η βιολογία συστημάτων είναι μια ολοκληρωμένη ερευνητική προσέγγιση για τη μελέτη πολύπλοκων βιολογικών συστημάτων, με τη διερεύνηση αλληλεπιδράσεων και δικτύων σε μοριακό, κυτταρικό, κοινοτικό και οικοσυστημικό επίπεδο. Έχει υιοθετηθεί μια προσέγγιση βιολογικών συστημάτων για την αποσαφήνιση των βασικών διεργασιών για την κατανόηση, τη βελτιστοποίηση, την πρόβλεψη και την αξιολόγηση της μικροβιακής λειτουργίας και των στρατηγικών επιβίωσης στο υπό μελέτη οικοσύστημα. Για να χρησιμοποιηθεί μια προσέγγιση της βιολογίας των συστημάτων κατά τη διαδικασία της βιοαποκατάστασης, πρέπει να συμπεριλάβουμε τον χαρακτηρισμό της σύνθεσης της μικροβιακής κοινότητας, την κυτταρική και μοριακή δραστηριότητα, και την παρουσία τοξικών χημικών ουσιών που μεταβάλλουν την φυσιολογική συμπεριφορά της μικροβιακής κοινότητας.

Ορισμένα σημαντικά στοιχεία της βιολογίας συστημάτων είναι η χρήση υπολογιστικών προσεγγίσεων για την ανάπτυξη μιας προγνωστικής κατανόησης της απόκρισης των συστημάτων σε μια διαταραχή και την κατανόηση της αποδόμησης των ρύπων καθώς συνδυάζει πολλά επίπεδα ενός συστήματος για την πρόβλεψη της πορείας των περιβαλλοντικών ρύπων.

Πιστεύεται ότι υπάρχουν τρεις διαστάσεις για την αποτελεσματικότητα της ζωτικής σημασίας διαδικασίας της βιοαποκατάστασης· δηλαδή χημικό υπόβαθρο (θρεπτικά συστατικά, δότες ηλεκτρονίων/αποδέκτες, και στρεσογόνοι παράγοντες), αβιοτικό περιβάλλον και καταβολισμός, εκ των οποίων μόνο ο καταβολισμός είναι πραγματικά βιολογικό σύστημα. Το χημικό υπόβαθρο έχει δυναμική αλληλεπίδραση με τις βιολογικές παρεμβάσεις στο αβιοτικό υπόβαθρο της περιοχής. Αυτό περιλαμβάνει την υγρασία, την αγωγιμότητα, τη θερμοκρασία, τις συνθήκες μήτρας, την κατάσταση οξειδοαναγωγής, κλπ.

Εικόνα 2. Συσχέτιση των βιολογικών συστημάτων με τη βιοαποκατάσταση (Koehmelet al. 2016)

Εικόνα 2. Συσχέτιση των βιολογικών συστημάτων με τη βιοαποκατάσταση (Koehmel et al. 2016)

Για να κατανοήσουμε τις πολύπλοκες διαδικασίες της βιοαποκατάστασης in situ, οι τεχνικές παρακολούθησης που καταγράφουν και παρακολουθούν τους τελικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων και δότες ηλεκτρονίων, ανιχνευτές ενζύμων που μετρούν τη λειτουργική δραστηριότητα στο περιβάλλον, λειτουργικές γονιδιωματικές μικροσυστοιχίες, φυλογενετικές μικροσυστοιχίες, μεταβολομική, πρωτεομική και ποσοτική PCR, παρέχουν πρωτοφανή στοιχεία σχετικά με τις βασικές μικροβιακές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται (Εικόνα 3). Σε γενικές γραμμές, ένα οικοσύστημα αποτελείται από κοινότητες, πληθυσμούς, κύτταρα, πρωτεΐνες, RNA και DNA. Μπορούμε να αναλύσουμε το DNA, το RNA και την πρωτεΐνη σε κυτταρικά επίπεδα για να κατανοήσουμε τις επιπτώσεις στα κύτταρα. και να αναλύσουμε την κοινότητα και τους πληθυσμούς για να κατανοήσουμε την επίδραση της βιοαποκατάστασης στις σχέσεις δομής/λειτουργίας (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Βιολογία συστημάτων από τα μόρια ως τα οικοσυστήματα

Εικόνα 3. Βιολογία συστημάτων από τα μόρια ως τα οικοσυστήματα

Η κατανόηση ενός βιολογικού συστήματος σε επίπεδο συστήματος μπορεί να προκύψει από την κατανόηση τεσσάρων βασικών ιδιοτήτων:

1) Δομές συστημάτων. Αυτές περιλαμβάνουν το δίκτυο αλληλεπιδράσεων των γονιδίων και των βιοχημικών οδών, καθώς και τους μηχανισμούς με τους οποίους τέτοιες αλληλεπιδράσεις ρυθμίζουν τις φυσικές ιδιότητες των ενδοκυτταρικών και πολυκυτταρικών δομών.

2) Δυναμική συστήματος. Το πώς ένα σύστημα συμπεριφέρεται με την πάροδο του χρόνου κάτω από διάφορες συνθήκες μπορεί να γίνει κατανοητό μέσω της μεταβολικής ανάλυσης, της ανάλυσης ευαισθησίας, των μεθόδων δυναμικής ανάλυσης όπως η ανάλυση του πορτραίτου φάσεων και της διακλάδωσης, και μέσω του εντοπισμού βασικών μηχανισμών υποκείμενοι σε συγκεκριμένες συμπεριφορές. Η ανάλυση διακλάδωσης εντοπίζει την αλλαγή (-ες) στην κατάσταση του συστήματος σε ένα πολυδιάστατο χώρο όπου κάθε διάσταση αντιπροσωπεύει μια συγκεκριμένη συγκέντρωση του εμπλεκόμενου βιοχημικού παράγοντα.

3) Η μέθοδος ελέγχου. Οι μηχανισμοί που ελέγχουν συστηματικά την κατάσταση του κυττάρου μπορούν να διαμορφωθούν για να ελαχιστοποιηθούν οι δυσλειτουργίες και να παρασχεθούν δυνητικοί θεραπευτικοί στόχοι για τη θεραπεία της νόσου.

4) Η μέθοδος σχεδιασμού. Στρατηγικές για την τροποποίηση και την κατασκευή βιολογικών συστημάτων που έχουν επιθυμητές ιδιότητες, μπορούν να αναπτυχθούν με βάση συγκεκριμένες αρχές σχεδιασμού και προσομοιώσεις, αντί για τη τυφλή μέθοδο δοκιμής-σφάλματος.

Η πρόοδος σε οποιονδήποτε από τους παραπάνω τομείς απαιτεί εξελίξεις στην κατανόηση των υπολογιστικών επιστημών, της γονιδιωματικής, και των τεχνολογιών μέτρησης, και στην ενσωμάτωση αυτών των ανακαλύψεων με τις υπάρχουσες γνώσεις.

Οι ωμικές προσεγγίσεις (Omics) είναι σημαντικές στη βιολογία των συστημάτων. Η μεταγονιδιωματική - η ανάλυση του συνολικού γονιδιωματικού περιεχομένου μιας μικροβιακής κοινότητας - έχει εφαρμοστεί ευρέως για την κατανόηση των μικροβιακών κοινοτήτων στα περιβαλλοντικά συστήματα (Εικόνα 4). Άλλες ωμικές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της μεταγραφωματικής ανάλυσης (ανάλυση RNA κοινότητας) και της μεταπρωτεομικής (ανάλυση πρωτεϊνών κοινότητας), εφαρμόστηκαν πιο πρόσφατα σε περιβαλλοντικές μικροβιακές κοινότητες.

Πολλές προσεγγίσεις μπορούν να εφαρμοστούν στην κατανόηση διαφορετικών επιπέδων μιας μικροβιακής κοινότητας. Κάθε μία από αυτές τις τεχνικές διερευνά ένα συγκεκριμένο βιολογικό μόριο (DΝΑ, RNA ή πρωτεΐνη), μια λεπτομερής ανάλυση καθενός από αυτά τα μόρια που εξάγονται από μια περιβαλλοντική κοινότητα και δίνει βασικές γνώσεις για την ταξινομική σύνθεση μιας κοινότητας, το λειτουργικό δυναμικό μιας κοινότητας, ή τα γονίδια και τις πρωτεΐνες που εκφράζονται σήμερα Techtman and Hazen, 2016.

Μεταγονιδιωματική

Η Γενωμική είναι μια ισχυρή τεχνολογία υπολογιστών που χρησιμοποιείται για την κατανόηση της δομής και της λειτουργίας όλων των γονιδίων σε έναν οργανισμό, βασισμένη στη γνώση ολόκληρης της αλληλουχίας του DNA του οργανισμού. Το πεδίο περιλαμβάνει εντατικές προσπάθειες για τον προσδιορισμό ολόκληρης της αλληλουχίας του DNA των οργανισμών και των προσπαθειών γενετικής χαρτογράφησης. Η μεταγονιδιωματική είναι η μελέτη των γονιδιωμάτων σε μια μικροβιακή κοινότητα και αποτελεί το πρώτο βήμα για τη μελέτη του μικροβίου. Η μεταγονιδιωματική μας επιτρέπει να διερευνήσουμε τη σύνθεση μιας μικροβιακής κοινότητας. Οι γονιδιωματικές μελέτες εξετάζουν το γενετικό υλικό ενός συγκεκριμένου οργανισμού, ενώ η μεταγονιδιωματική αναφέρεται σε μελέτες γενετικού υλικού ολόκληρων κοινοτήτων οργανισμών. Αυτή η διαδικασία συνήθως περιλαμβάνει αλληλούχιση νέας γενιάς (NGS) μετά την εξαγωγή του DNA από τα δείγματα. Η NGS παράγει ένα μεγάλο όγκο δεδομένων με τη μορφή σύντομων αναγνώσεων, από τα οποία μπορεί να δημιουργηθεί ένα προφίλ μικροβιακής κοινότητας ή άλλες πληροφορίες, όπως ακριβώς και η συλλογή πληροφοριών από τα κομμάτια ενός παζλ. Αν και η αλληλούχιση ολόκληρου του μεταγονιδιώματος (whole-metagenome sequencing, WMS) παρέχει εν μέρει μια ματιά στο λειτουργικό προφίλ μιας μικροβιακής κοινότητας, είναι καλύτερη η χρήση της μεταμεταφραστικής, η οποία περιλαμβάνει την αλληλούχιση όλων των μεταγράφων της μικροβιακής κοινότητας. Η μεταγονιδιωματική παρέχει πρόσβαση στη σύνθεση των λειτουργικών γονιδίων των μικροβιακών κοινοτήτων και έτσι δίνει μια πολύ ευρύτερη περιγραφή από τις φυλογενετικές έρευνες, οι οποίες συχνά βασίζονται μόνο στην ποικιλομορφία ενός γονιδίου, για παράδειγμα το γονίδιο 16S rRNA. Από μόνη της, η μεταγονιδιωματική παρέχει γενετική πληροφόρηση για δυνητικά νέους βιοκαταλύτες ή ένζυμα, γονιδιωματικές συνδέσεις μεταξύ λειτουργίας και φυλογονίας για μη καλλιεργημένους οργανισμούς, και εξελικτικά προφίλ της κοινοτικής λειτουργίας και δομής. Μπορεί επίσης να συμπληρωθεί με μεταγραφωμικές ή μεταπρωτεωματικές προσεγγίσεις για να περιγράψει εκφρασμένες δραστηριότητες. Η μεταγονιδιωματική είναι επίσης ένα ισχυρό εργαλείο για τη δημιουργία νέων υποθέσεων μικροβιακής λειτουργίας, όπως οι αξιοσημείωτες ανακαλύψεις των φωτοετερότροφων που βασίζονται στη πρωτεοροδοψίνη ή τών νιτρωδοποιητικών Αρχαίων. Η ραγδαία και ουσιαστική μείωση του κόστους της αλληλούχισης νέας γενιάς έχει επιταχύνει δραματικά την ανάπτυξη της μεταγονιδιωματικής βασισμένη στην αλληλουχία. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των σειρών δεδομένων της μαζικής αλληλούχισης μεταγονιδιώματος (metagenome shotgun sequence) έχει εξαντληθεί τα τελευταία χρόνια. Στο μέλλον, η μεταγονιδιωματική θα χρησιμοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο όπως οι μέθοδοι αποτύπωσης γονιδίων 16S rRNA για την περιγραφή των προφίλ της μικροβιακής κοινότητας. Ως εκ τούτου, θα αποτελέσει πρότυπο εργαλείο για πολλά εργαστήρια και επιστήμονες που εργάζονται στον τομέα της μικροβιακής οικολογίας.

Οι μεταγονιδιωματικές προσεγγίσεις συχνά παίρνουν δύο μορφές - στοχευόμενη μεταγονιδιωματική ή αλληλούχιση όλων των γονιδιωμάτων όλων των μικροοργανισμών (shotgun metagenomics) (Εικόνα 4). Στην στοχευόμενη μεταγονιδιωματική - ή μικροβιομική - ανιχνεύεται η ποικιλομορφία ενός μόνο γονιδίου για να αναγνωριστεί το πλήρες σύνολο αλληλουχιών ενός συγκεκριμένου γονιδίου σε ένα περιβάλλον. Η στοχευόμενη μεταγονιδιωματική χρησιμοποιείται συχνότερα για να διερευνήσει τόσο τη φυλογενετική ποικιλομορφία όσο και τη σχετική αφθονία ενός συγκεκριμένου γονιδίου σε ένα δείγμα. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται τακτικά για να διερευνηθεί η ποικιλομορφία των αλληλουχιών της μικρής υπομονάδας rRNA (16S/18S rRNA) σε ένα δείγμα. Οι ερευνητές της μικροβιακήσς οικολογίας χρησιμοποιούν συστηματικά την ανάλυση αλληλουχιών της μικρής υπομονάδας rRNA για να κατανοήσουν την ταξινομική ποικιλομορφία ενός περιβάλλοντος. Μπορεί επίσης να εφαρμοστεί ως εργαλείο για τη διερεύνηση των επιπτώσεων των περιβαλλοντικών ρύπων στη μεταβολή της δομής της μικροβιακής κοινότητας. Για να πραγματοποιηθεί στοχευμένη μεταγονιδιωματική, απομονώνεται το περιβαλλοντικό DΝΑ και το γονίδιο ενδιαφέροντος ενισχύεται με PCR χρησιμοποιώντας εκκινητές σχεδιασμένους να ενισχύουν τη μεγαλύτερη ποικιλία αλληλουχιών για το γονίδιο που μας ενδιαφέρει. Η δύναμη της στοχευμένης μεταγονιδιωματικής είναι ότι παρέχει ένα αρκετά ολοκληρωμένο κατάλογο της μικροβιακής τάξης που υπάρχει σε ένα σύνολο δειγμάτων και επιτρέπει τη σε βάθος σύγκριση των μετατοπίσεων της μικροβιακής ποικιλομορφίας πριν και μετά από μια διαταραχή.

Εικόνα 4. Μεταγονιδιωματικές προσεγγίσεις για την κατανόηση των μικροβιακών κοινοτήτων.

Εικόνα 4. Μεταγονιδιωματικές προσεγγίσεις για την κατανόηση των μικροβιακών κοινοτήτων.

Στην μέθοδο shotgun metagenomics, το συνολικό των γονιδίων μιας περιβαλλοντικής κοινότητας ανιχνεύεται μέσω αλληλούχισης των γονιδιωμάτων (Εικόνα 4). Στην προσέγγιση αυτή, το περιβαλλοντικό DNA απομονώνεται και στη συνέχεια κατακερματίζεται για να προκύψουν οι βιβλιοθήκες αλληλούχισης. Αυτές οι βιβλιοθήκες κατόπιν υπόκεινται σε αλληλούχιση για τον προσδιορισμό του συνολικού γονιδιωματικού περιεχομένου αυτού του δείγματος. Η μέθοδος shotgun metagenomics είναι μια ισχυρή τεχνική όπου μπορεί να εντοπιστεί το λειτουργικό δυναμικό μιας μικροβιακής κοινότητας.

Η μέθοδος shotgun metagenomics είναι συχνά πιο περιορισμένη από το βάθος της αλληλούχισης. Έχουν αναπτυχθεί τεχνικές βασισμένες σε μικροσυστοιχίες. Το PhyloChip και το GeoChip είναι οι δύο πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες μικροσυστοιχιών. Το PhyloChip είναι μια μικροσυστοιχία βασισμένη στο 16SrRNA ικανή να ανιχνεύσει την ποικιλομορφία των 10.993 υποοικογενών σε 147 φυλά (Hazen et al., 2010). Το GeoChip είναι μια λειτουργική μικροσυστοιχία γονιδίων ικανή να ανιχνεύσει την ποικιλομορφία 152.414 γονιδίων από 410 κατηγορίες γονιδίων. Οι τεχνικές μικροσυστοιχίας δεν εξαρτώνται από το βάθος της αλληλούχισης για να παρέχουν ολοκληρωμένες γνώσεις για την μικροβιακή κοινότητα. Έχουν επίσης το πλεονέκτημα ότι παρέχουν αυστηρό σχολιασμό για τα διάφορα είδη/γονίδια που υπάρχουν στο τσιπ που μειώνουν τον περιορισμό της ανάγκης για καλές ομόλογες αλληλουχίες στη βάση δεδομένων για να επιτευχθεί ακριβής ταξινόμηση. Οι προσεγγίσεις που βασίζονται σε μικροσυστοιχίες, ωστόσο, περιορίζονται στο ότι μπορούν να εντοπιστούν μόνο τα γονίδια του τσιπ, περιορίζοντας έτσι το δυναμικό για την ανακάλυψη νέων γονιδίων ή μονοπατιών σε ένα δείγμα. Οι προσεγγίσεις που βασίζονται σε μικροσυστοιχίες είναι συχνά ένα χρήσιμο συμπλήρωμα των προσεγγίσεων που βασίζονται στην αλληλούχιση ως μια πρόσθετη σειρά αποδείξεων.

Μεταγραφωμική-μεταπρωτεομική-μεταβολομική

Χρησιμοποιώντας μια πρωτεομική προσέγγιση, οι φυσιολογικές μεταβολές σε έναν οργανισμό κατά τη διάρκεια της βιοαποκατάστασης παρέχουν περαιτέρω γνώση των σχετικών με τη βιοαποκατάσταση γονιδίων και της ρύθμισής τους. Η μεταγραφωμική και η μεταπρωτεομική εφαρμόζονται ολοένα και περισσότερο στα περιβαλλοντικά συστήματα (Εικόνα 4). Αυτές οι προσεγγίσεις παρέχουν βασικές γνώσεις σχετικά με τα ενεργά γονίδια που εκφράζονται σε μια μικροβιακή κοινότητα, και επομένως είναι καλοί δείκτες για τις μικροβιακές λειτουργίες που εκφράζονται υπό τις συνθήκες κατά τη στιγμή της δειγματοληψίας. Στη μεταγραφωμική, το RNA απομονώνεται από ένα περιβαλλοντικό δείγμα. Το RNA μετατρέπεται σε cDNA και υπόκειται σε αλληλούχιση με παρόμοιο τρόπο με τη μεταγονιδιωματική (Εικόνα 4). Αυτή η προσέγγιση παρέχει έναν κατάλογο των εκφρασμένων γονιδίων σε ένα δείγμα. Η μεταπρωτεομική δεν περιλαμβάνει αλληλούχιη νουκλεϊνικών οξέων, αλλά τη φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης σε συνδυασμό με την ενζυματική πέψη πρωτεϊνών και την υγρή χρωματογραφία. Η μεταπρωτεομική παρέχει πληροφορίες για το σύνολο των πρωτεϊνών που βρίσκονται σε ένα περιβαλλοντικό δείγμα, και περιλαμβάνει τις μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις των πρωτεϊνών που μπορεί να επηρεάσουν τη δραστηριότητά τους.

Εστιάζοντας στα γονίδια που εκφράζονται από ολόκληρη τη μικροβιακή κοινότητα, η μεταγραφωμική ρίχνει φως στο ενεργό λειτουργικό προφίλ μιας μικροβιακής κοινότητας. Το σύνολο των μεταγράφων παρέχει ένα στιγμιότυπο της γονιδιακής έκφρασης σε ένα δεδομένο δείγμα σε δεδομένη στιγμή και κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες με την απομόνωση του ολικού mRNA. Σε ό,τι αφορά τη μεταγονιδιωματική, είναι πλέον δυνατή η εκτέλεση μαζικής αλληλούχισης μεταγονιδιώματος (metatranscriptomics shotgun sequencing). Αυτή η έκφραση (μετα)γονιδιώματος παρέχει την έκφραση και το λειτουργικό προφίλ ενός μικροβιώματος. Κατά την ανάγνωση της επεξεργασίας, η τυπική ανάλυση του μεταγονιδιώματος παρέχει είτε (1) αναγνώσεις του χάρτη σε ένα γονιδίωμα αναφοράς είτε (2) εκτελεί de novo συναρμολόγηση των αναγνώσεων σε μετάγραφα των contigs και supercontigs. Η πρώτη στρατηγική, με τρόπο παρόμοιο όπως στις μεθόδους στοίχισης στην WMS, αναγνώσεις χαρτών σε βάσεις δεδομένων αναφοράς, συγκεντρώνοντας έτσι πληροφορίες για να συναχθεί η σχετική έκφραση μεμονωμένων γονιδίων. Η δεύτερη στρατηγική ακολουθεί το ίδιο, αλλά με συναρμολογημένες ακολουθίες. Η πρώτη στρατηγική περιορίζεται από τις πληροφορίες στη βάση δεδομένων των γονιδιωμάτων αναφοράς. Η δεύτερη στρατηγική περιορίζεται από την ικανότητα των προγραμμάτων λογισμικού να συναρμολογούν σωστά τα contigs και τα supercontigs από τα σύντομα δεδομένα ανάγνωσης, εργαλεία και τεχνικές. Η εφαρμογή της μεταγραφωμικής στη μελέτη του μικροβιώματος είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένη σε σχέση με άλλες omics που εξετάζονται σε αυτό το άρθρο. Οι περισσότεροι αγωγοί ανάλυσης που περιγράφονται στη βιβλιογραφία κατασκευάστηκαν ad hoc (επί τούτου). Η πλειονότητα αυτών των μεθόδων ακολουθεί την προαναφερθείσα πρώτη στρατηγική που βασίζεται στη χαρτογράφηση-ανάγνωση.

Η μεταβολομική είναι η ολοκληρωμένη ανάλυση με την οποία προσδιορίζονται και ποσοτικοποιούνται όλοι οι μεταβολίτες ενός δείγματος (μικρά μόρια που απελευθερώνονται από τον οργανισμό στο άμεσο περιβάλλον). Ο μεταβολισμός θεωρείται ο πιο άμεσος δείκτης της υγείας ενός περιβάλλοντος ή των μεταβολών στην ομοιόσταση (δηλ. δυσβίωση). Οι μεταβολές κατά την παραγωγή των μεταβολιτών “υπογραφές” σχετίζονται με μεταβολές της δραστηριότητας των μεταβολικών οδών, και ως εκ τούτου, η μεταβολομική αντιπροσωπεύει μια εφαρμόσιμη προσέγγιση στην ανάλυση της οδού. Επιπλέον, η εφαρμογή της μεταβολομικής για την ανακάλυψη φαρμάκων και τη φαρμακογονιδιωματική αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη οδό για την εξατομικευμένη ιατρική. Το μεταβολικό προφίλ που συνδέεται με το μικροβίωμα μπορεί να υποδείξει την ισχυρή εξάρτηση από περιβαλλοντικούς παράγοντες (π.χ. δίαιτα, έκθεση σε ξενοβιοτικά, και στρεσογόνοι περιβαλλοντικοί παράγοντες), παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες όχι μόνο για τα χαρακτηριστικά του μικροβιώματος αλλά και για τις αλληλεπιδράσεις της μικροβιακής κοινότητας με το περιβάλλον. Έτσι, η μεταβολομική στοχεύει στη βελτίωση της κατανόησης του ρόλου του μικροβιώματος στο μετασχηματισμό των θρεπτικών συστατικών και των ρύπων καθώς και άλλων αβιοτικών παραγόντων που μπορεί να επηρεάσουν την ομοιόσταση του περιβάλλοντος ξενιστή. Η ροή ανάλυσης για τα μεταβολομικά δεδομένα περιλαμβάνει τρία στάδια: (1) προεπεξεργασία, (2) στατιστική ανάλυση, και (3) τεχνικές μάθησης μηχανής για την αναγνώριση προτύπων.

Έχουν αναπτυχθεί πολλά in silico λογισμικά, αγωγοί, πόροι και αλγόριθμοι για την ερμηνεία ή τη συσχέτιση μοριακών και x-omics δεδομένων. Παρ'όλα αυτά, οι βιοπληροφορικές πηγές της βιοαποκατάστασης εξακολουθούν να είναι λιγοστές. Η βάση δεδομένων για τη βιοκατάλυση/βιοαποκατάσταση του Πανεπιστημίου της Μινεσότα (UMBBD) έχει συγκεντρώσει 200 ​​μονοπάτια, 1350 αντιδράσεις, 1195 ενώσεις, >1000 ένζυμα, καταχωρήσεις 491 μικροοργανισμών και 259 κανόνες βιομετασχηματισμού που περιλαμβάνουν μικροβιακή βιοαποκατάσταση (http://umbbd.msi.umn.edu/) (Gao et al. 2011). Το Metarouter είναι ένα ακόμη σύστημα για τη διατήρηση ετερογενών πληροφοριών σχετικών με τη βιοαποκατάσταση και τη βιοαποικοδόμηση σε ένα πλαίσιο που επιτρέπει την ενημέρωση των υπό μελέτη τροποποιήσεων (Desai et al. 2010). Το σύστημα μπορεί να προσεγγιστεί και να διαχειριστεί μέσω μιας διεπαφής ιστού (Pazos et al. 2005). Άλλες πλατφόρμες λογισμικού αφορούν την Εγκυκλοπαίδεια των Κυττάρων και των Γονιδιωμάτων του Κιότο (KEGG) στη διεύθυνση http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg.html. (Moriya et al. 2010); το Boehringer Mannhein Biochemical Pathways (BMBP) στο διακομιστή ExPASy, Ελβετία (http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index); Διεθνής Εταιρεία για τη Μελέτη Ξενοβιοτικών (http://www.issx.org); PathDB; τη Βάση Δεδομένων Μεταβολικών Μονοματιών στο NCGR (http://www.ncgr.org/Pathdb/) κλπ.

Η υπάρχουσα υπολογιστική βάση δεδομένων, το λογισμικό και τα εργαλεία και η συλλογική ενσωμάτωσή τους θα συμβάλλουν στον ακριβέστερο προσδιορισμό της περιβαλλοντικής τύχης οποιωνδήποτε ενώσεων.

Πρακτικές εφαρμογές

Βιομετατροπή ραδιονουκλιδίων

Τα υπόγεια ύδατα και το έδαφος στην περιοχή 3 του FRC στο Oak Ridge όχι μόνο έχει μολυνθεί με ουράνιο (έως και 200 ​​mM), αλλά δημιουργεί ένα μοναδικό πρόβλημα βιοαποκατάστασης λόγω του χαμηλού pH (3), του υψηλού νιτρικού ανιόντος (200 mM), και υψηλών συγκεντρώσεων ασβεστίου μαζί με την παρουσία χλωριωμένων οργανικών διαλυτών. Η έρευνα σε αυτό τη περιοχή από διάφορους ερευνητές αποτελεί παράδειγμα για την επιτυχή εφαρμογή εργαλείων της βιολογίας συστημάτων για να κατανοήσουμε τη μικροβιολογία και τον ρόλο της στην υπόγεια επιφάνεια. Προηγουμένως, η κοινοτική ανάλυση βασισμένη στην βιβλιοθήκη γενετικού υλικού-κλώνων του 16S, κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής in situ βιοαποκατάστασης σε αυτή τη περιοχή, εντόπισε Desulfovibrio, Geobacter, Anaeromyxobacter, Desulfosporosinus, Acidovorax, και Geothrix spp. που παρουσιάζουν την επακόλουθη μείωση U (VI) (Cardenas et al. 2008). Οι βιβλιοθήκες γενετικού υλικού (κλώνων) λειτουργικών γονιδιακών δεικτών όπως dsrAB, nirK, nirS, amoA και pmoA έδειξαν υψηλή μικροβιακή ποικιλομορφία σε λειτουργικά γονίδια. Ωστόσο, πρόσφατη μεταγονιδιωματική ανάλυση από του FW106 χρησιμοποιώντας ειδικά μια στρατηγική βασισμένη σε shotgun sequencing αποκάλυψε μια ιδιαίτερα εμπλουτισμένη κοινότητα που κυριαρχείται από απονιτροποιητικά βακτήρια, τα β-Proteobacteria και γ-Proteobacteria. Η ανάλυση Geo-Chip αρκετών φρεατίων παρακολούθησης υπογείων υδάτων ανέφερε την εκτεταμένη ποικιλομορφία των γονιδίων dsrAB, τα οποία έδειξαν ότι τα βακτηρίδια που μειώνουν τα θειικά ήταν βασικοί παράγοντες στη μείωση του U (VI). Κατά τη διάρκεια της φάσης επαναοξείδωσης του U (VI) όπως μελετήθηκε σε στήλη ιζημάτων με δείγματα από FRC, παρατηρήθηκε μείωση της βιομάζας, αλλά αύξηση της μικροβιακής δραστηριότητας. Χρησιμοποιώντας το PhyloChip, η μελέτη δεν έδειξε πτώση στο Geobacter ή το Geothrix spp. κατά τη διάρκεια της φάσης επαναοξείδωσης, αλλά τα μέλη των Actinobacteria, Firmicutes, Acidobacteria και Desulfovibrionaceae παρουσίασαν μεγάλη αύξηση. Η ανάλυση GeoChip κατά τη φάση επαναοξείδωσης από δείγματα της περιοχής έδειξε μείωση των γονιδίων dsr, αλλά η επαναοξείδωση δεν φαίνεται να επηρεάζει τη μικροβιακή λειτουργική ποικιλομορφία υποδηλώνοντας ότι η μικροβιακή κοινότητα ήταν σε θέση να ανακάμψει και να συνεχίσει να μειώνει το U (VI) στη φάση μετά την οξείδωση.

Βιοενεργοποίηση μετάλλων

Η περιοχή του Hanford 100H δίπλα στον ποταμό Κολούμπια στην Ουάσινγκτον έχει μολυνθεί από το χρώμιο (Cr) ως αποτέλεσμα της παραγωγής όπλων στην περιοχή. Το 2004, εγχύθηκε Hydrogen Release Compound HRCtm σε μια προσπάθεια να επέμβουν στην παρατεταμένη βιοενεργοποίηση του Cr (VI) επί τόπου με διέγερση της ενδογενούς μικροβιακής χλωρίδας. Ο Hubbard et al. (2008) χρησιμοποίησε σύστημα time-lapse σεισμικής παρακολούθησης και ραντάρ τομογραφικής γεωφυσικής παρακολούθησης για τον προσδιορισμό της χωροχρονικής κατανομής του ενέσιμου HRC και των βιογεωχημικών μετασχηματισμών που συνδέονται με την βιοαποκατάσταση του Cr (VI) μετά την έγχυση του HRC. Οι άμεσες μετρήσεις κυττάρων αποκάλυψαν ότι ενώ οι αριθμοί των κυττάρων έφτασαν τα 108 κύτταρα/ml, τα επίπεδα του Cr (VI) μειώθηκαν από 100 ppb σε χαμηλά επίπεδα κατά τη διάρκεια ενός έτους. Η ανάλυση με PhyloChip έδειξε τον εμπλουτισμό με θειικοοαναγωγικούς μικροοργανισμούς μαζί με μικροοργανισμούς που ανάγουν τα νιτρικά αλάτων, αποσυνθέτες σιδήρου, και μεθανογενείς πληθυσμούς κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Οι στοχευμένοι εμπλουτισμοί είχαν ως αποτέλεσμα την απομόνωση του θειικοοαναγωγικού στελέχους Desulfovibrio vulgaris όπως το στέλεχος RCH1, του στελέχους Pseudomonas stutzeri (RCH2) που ανάγει τα νιτρικά άλατα, και του στελέχους Geobacter metallireducens (RCH3) που μειώνει τον σίδηρο, στελέχη ικανά για μείωση του Cr (VI). Η ανάλυση mFlowFISH (ολοκληρωμένη in situ υβριδοποίηση σε φθορισμό και κυτταρομετρία ροής) ήταν ικανή να ανιχνεύσει και να ταξινομήσει στελέχη Pseudomonads παρόμοια με το στέλεχος RCH2 απευθείας από τα δείγματα νερού της περιοχής Hanford 100Η που συλλέχθηκαν το 2009 και το 2010.

Βιοαποκατάσταση υδρογονανθράκων

Οι πηγές ενέργειας βασιμένες στα πετρελαιοειδή έχει τροφοδοτήσει τη βιομηχανική ανάπτυξη και την ευημερία. Ωστόσο, επέφερε επίσης τη διασπορά των υδρογονανθράκων σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Ευτυχώς, η οργανική φύση των υδρογονανθράκων επιτρέπει στα μικρόβια να μεταβολίζουν αυτές τις ενώσεις πετρελαίου ως υποστρώματα. Παράλληλα, έχουν δημοσιευθεί αξιοσημείωτες ανασκοπήσεις που αφορούν τη βιολογία συστημάτων της βιοαποκατάστασης από τους Atlas και Hazen (2011), Harayama et al. (2004), Zhou et al. (2011), Fredrickson et al. (2008), de Lorenzo (2008) και Chakraborty et al. (2012). Η διαρροή πετρελαίου MC252 στον Κόλπο του Μεξικού το 2010 ήταν η μεγαλύτερη στην ιστορία των ΗΠΑ. Πολλοί περιβαλλοντικοί παράγοντες διακρίνουν αυτή τη διαρροή από τις προηγούμενες, συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης των υδρογονανθράκων, των περιβαλλοντικών μεταβλητών, του βάθους της διαρροής και της διαθεσιμότητας εργαλείων της βιολογίας συστημάτων. Οι πληροφορίες σχετικά με τις χημικές αναλύσεις είναι ζωτικής σημασίας για την υποστήριξη της βιολογικής προσέγγισης του συστήματος για τη βιοαποκατάσταση στη διαρροή πετρελαίου MC252. Ενώ ο Camilli et al. (2010) κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα ποσοστά μικροβιακής αναπνοής στο βαθύ πλούμιο ήταν εξαιρετικά χαμηλά με βάση τη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου, τη μέτρηση των ποσοστών μικροβιακής αναπνοής, τη συγκέντρωση των ενζύμων, τη συγκέντρωση φωσφορικών και τη συγκέντρωση μεμβρανικών λιπιδίων στα επιφανειακά ύδατα που επηρεάστηκαν από τη διαρροή του πετρελαίου. Ο Edwards et al. (2011) κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι ενζυμικές δραστηριότητες και τα ποσοστά αναπνοής βρέθηκαν να είναι υψηλότερα εντός της πετρελαιοκηλίδας. Ο Valentine et al. (2010) διερεύνησε τη πορεία των αερίων μεθανίου, προπανίου και αιθανίου από το βαθύ πλούμιο υδρογονανθράκων σε βάθος μεγαλύτερο από 799 μ, και διαπίστωσε ότι το προπάνιο και το αιθάνιο υποβαθμίστηκαν ταχύτερα από τα υποστρώματα με μεθάνιο. Χρησιμοποιήθηκαν υποστρώματα σημασμένα με 13C, καθώς και τους ιχνηθέτες 13C και 3Η, για τη μέτρηση του d13C-DIC. Σε άλλη μελέτη, βρέθηκε ότι το μεθάνιο ήταν ο πλέον άφθονος υδρογονάνθρακας που απελευθερώθηκε κατά τη διάρκεια της διαρροής του MC252, και ότι υπήρξε ταχεία απόκριση των μεθανιότροφων βακτηριδίων τα οποία χρησιμοποιούν γρήγορα το απελευθερωμένο μεθάνιο. Το PhyloChip, η βιβλιοθήκη γενετικού υλικού (κλώνων), το GeoChip, φωσφολιπίδια λιπαρών οξέων (PLFA), και ισότοπα χρησιμοποιήθηκαν για να συγκριθούν οι μικροβιακές κοινότητες μέσα και έξω από το βαθύ πλούμιο (Hazen et al. 2010). Τα αποτελέσματα ταυτοποίησαν βακτήρια του γένους Oceanospirillales, τα οποία βρέθηκαν να αποικοδομούν τους υδρογονάνθρακες στους 58°C μέσα στον πλούμιο. Το GeoChip επέδειξε γονίδια που συσχετίζονταν σημαντικά με τη συγκέντρωση των ρύπων του πετρελαίου, όπως το phdC1 (αποικοδόμηση του ναφθαλινίου) και το alkB (οξείδωση των αλκανίων), καθώς και μετατόπιση των κύκλων C, N, P, S στα δείγματα του πλουμίου. Η συμμετοχή των ομοσπονδιακών φορέων και των αγωγών που εκκρεμούν αποτέλεσαν την ώθηση για μια συντονισμένη προσπάθεια συγκέντρωσης όλων των συλλεγόμενων δεδομένων καταλήγοντας σε μια χρήσιμη βάση δεδομένων για τους ερευνητές. Με την ενσωμάτωση των χημικών αναλύσεων με μελέτες που χρησιμοποιούν μια προσέγγιση της βιολογίας συστημάτων, υπήρξε μια άνευ προηγουμένου κατανόηση σχεδόν σε πραγματικό χρόνο των χημικών και βιολογικών αντιδράσεων που εμπλέκονται στην αποδόμηση των υδρογονανθράκων. Προκειμένου να επιτευχθεί μια πληρέστερη κατανόηση των μικροβιολογικών διεργασιών, τα δεδομένα από τις μελέτες μεταγραφωμικής θα παρέχουν πληροφορίες σχετικά με το εάν τα καλλιεργήσιμα κυρίαρχα μικρόβια είναι τα in situ ενεργά, και οι μελέτες πρωτεομικής θα εντοπίσουν σημαντικά ένζυμα για την αποδόμηση των υδρογονανθράκων.

Βιοαποκατάσταση χλωριωμένων διαλυτών

Οι χλωριωμένοι διαλύτες, όπως το τριχλωροαιθένιο (TCE) και το διχλωροαιθένιο (DCE), είναι καρκινογόνες ενώσεις που παραμένουν στο περιβάλλον μόλις απελευθερωθούν. Μικρόβια, όπως τα Dehalococcoides, είναι ικανά να χρησιμοποιούν τους χλωριωμένους διαλύτες ως δέκτες ηλεκτρονίων αναερόβια και να αποχλωριώνουν τιςσ ενώσεις σε αιθένιο. Ένα άλλοσ μονοπάτι βιοαποικοδόμησης είναι ο αερόβιος συν-μεταβολισμός των χλωριωμένων ενώσεων σε διοξείδιο του άνθρακα και χλώριο από μικρόβια όπως οξειδωτές μεθανίου με μονοοξυγενάσες του μεθανίου (MMOs). Περιγραφές τεχνικών που παρακολουθούν την απώλεια μάζας, τα γεωχημικά αποτυπώματα, την κλασματοποίηση των ισοτόπων που σχετίζεται με τη βιοαποικοδόμηση, τις μικροβιακές κοινότητες σε μελέτες βιοδιέγερσης και φυσικής εξασθένησης, τις μεθόδους ποσοτικής PCR σε πραγματικό χρόνο που στοχεύουν σε γονίδια αφαλογονάσης, περιλαμβάνονται σε αρκετές ανασκοπήσεις. Μεταξύ του 1955 και του 1972, ραδιενεργά ισότοπα χαμηλής ραδιενέργειας, λύματα και χλωριωμένοι διαλύτες εγχύθηκαν στον υδροφόρο ορίζοντα μέσω ενός κοιλώματος βάθους 95 μέτρων στο Test Area North (TAN) στο Εθνικό Εργαστήριο του Idaho. Το πλούμιο περιείχε συγκεντρώσεις TCE κυμαινόμενες από 5 ppb έως 300 ppm που εκτείνονταν για περισσότερο από 2 km. Μια πιλοτική μελέτη βελτιωμένης in situ βιοαποκατάστασης ξεκίνησε το 1999 για την επεξεργασία των μολυσμένων με χλωριωμένες ουσίες υπόγειων υδάτων με την έγχυση του Lactate δότη ηλεκτρονίων για την ενίσχυση της in situ αναγωγικής αποχλωρίωσης. Η σύγκριση των μικροβιακών κοινοτήτων στα δείγματα από τον πυρήνα και από τα υπόγεια ύδατα εκτιμήθηκαν με το προσδιορισμό της συνολικής βιομάζας, ανάλυση PLFA, καλλιέργεια και προσδιορισμό της μικροβιακής ποικιλότητας με community-level physiological profiling (CLPP) χρησιμοποιώντας πλακάκια Biolog GN (Lehman et al. 2004). Η ανάλυση DGGE έδειξε ότι πηγαδάκια με υψηλές συγκεντρώσεις χλωριωμένων διαλυτών είχαν διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες από τα πηγαδάκια με τις ελάχιστες συγκεντρώσεις των ρύπων, και ότι τα ελεύθερα ζωντανά μικρόβια είχαν διαφορετικό προφίλ λειτουργίας και σύνθεση. Επιπλέον, η qPCR για τα γονίδια 16S rRNA του Dehalococcoides sp. παρείχαν το πιο πειστικό αποτέλεσμα στην ποσοτικοποίηση του δυναμικού αποχλωρίωσης μιας κοινότητας σε σύγκριση με την ανάλυση της κοινότητας με τη μέθοδο του τερματικού περιορισμού θραύσματος μήκους πολυμορφισμού (T-RFLP), και την ανάλυση RFLP με αλληλούχιση κλώνου. Ο Erwin et al. (2005) κατέδειξε την παρουσία βακτηριδίων που φέρουν MMOs και το δυναμικό του TCE συν-μεταβολισμού σε TAN από μια παρθένα περιοχή χρησιμοποιώντας την μέθοδο της ενίσχυσης με PCR για να δημιουργηθεί μια βιβλιοθήκη θραυσμάτων λειτουργικού γονιδίου και αλληλούχιση. Οι σταθερές αναλογίες ισότοπων άνθρακα των δειγμάτων από τα υπόγεια ύδατα που ελήφθησαν το 2000 επιβεβαίωσαν την πλήρη μετατροπή του TCE σε αιθένιο, και την ελάχιστη βιοαποικοδόμηση του t-DCE (Song et al. 2002). Χρησιμοποιώντας το PhyloChip για τον χαρακτηρισμό της βακτηριακής σύνθεσης, παρατηρήθηκε μια μείωση στους οργανισμούς αναγωγικής αποχλωρίωσης και μια αύξηση στα μεθανότροφα μικρόβια ικανά για τον αερόβιο συν-μεταβολισμό του TCE. Περαιτέρω μελέτες που θα συμπληρώνουν την έρευνα στη περιοχή ΤΑΝ θα μπορούσε να ήταν η χρήση μαζικής πρωτεϊνικής ανάλυσης (shotgun proteomics) όπως αναφέρεται από τον Werner et al. (2009). Η μέθοδός του επέτρεψε την ανίχνευση πεπτιδίων, όπως FdhA, TceA, PceA, και HupL που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν ως βιοδείκτες της αποαλογονοαναπνοής του χλωριωμένου αιθενίου.

Βιβλιογραφικές αναφορές

  • Achal V., Pan X., Fu Q., Zhang D. Biomineralization based remediation of As (III) contaminated soil by Sporosarcina ginsengisoli. Journal of Hazardous Materials 2012; 201–202, 178–184.
  • Achal V., Pan X., Zhang D. Remediation of copper-contaminated soil by Kocuria flava CR1, based on microbially induced calcite precipitation. Ecological Engineering 2011; 37 (10) 1601–1605.
  • Alivisatos AP, Blaser MJ, Brodie EL, Chun M, Dangl JL, Donohue TJ, Dorrestein PC, Gilbert JA, Green JL, Jansson JK, Knight R, Maxon ME, McFall-Ngai MJ, Miller JF, Pollard KS, Ruby EG, Taha SA (2015) A unified initiative to harness Earth’s microbiomes. Science 350:507–508. doi:10.1126/science.aac8480
  • Atlas RM, Hazen TC: Oil biodegradation and bioremediation: a tale of the two worst spills in US history. Environ Sci Technol 2011, 45:6709-6715.
  • Beja O, Aravind L, Koonin EV, Suzuki MT, Hadd A, Nguyen LP, Jovanovich SB, Gates CM, Feldman RA, Spudich JL, Spudich EN, DeLong EF: Bacterial rhodopsin: evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science 2000, 289(5486):1902-1906.
  • Brodie EL, DeSantis TZ, Joyner DC, Baek SM, Larsen JT, Andersen GL, Hazen TC, Richardson PM, Herman DJ, Tokunaga TK et al.: Application of a high-density oligonucleotide microarray approach to study bacterial population dynamics during uranium reduction and reoxidation. Appl Environ Microbiol 2006, 72:6288-6298
  • Camilli R, Reddy CM, Yoerger DR, Van Mooy BAS, Jakuba MV, Kinsey JC, McIntyre CP, Sylva SP, Maloney JV: Tracking hydrocarbon plume transport and biodegradation at Deepwater Horizon. Science 2010, 330:201-204.
  • Cardenas E, Wu W-M, Leigh MB, Carley J, Carroll S, Gentry T, Luo J, Watson D, Gu B, Ginder-Vogel M et al.: Microbial communities in contaminated sediments, associated with bioremediation of uranium to submicromolar levels. Appl Environ Microbiol 2008, 74:3718-3729.
  • Chakraborty R, Wu CH, Hazen TC (2012) Systems biology approach to bioremediation. Curr Opin Biotechnol 23:1–8.
  • Conrad ME, Brodie EL, Radtke CW, Bill M, Delwiche ME, Lee MH, Swift DL, Colwell FS: Field evidence for co-metabolism of trichloroethene stimulated by addition of electron donor to groundwater. Environ Sci Technol 2010, 44:4697-4704.
  • Coulon F, McKew BA, Osborn AM, McGenity TJ, Timmis KN (2007) Effects of temperature and biostimulation on oil-degrading microbial communities in temperate estuarine waters. Environ Microbiol 9: 177-186.
  • Cupples AM: Real-time PCR quantification of Dehalococcoides populations: methods and applications. J Microbiol Methods 2008, 72:1-11.
  • de Lorenzo V (2008) Systems biology approaches to bioremediation. Curr Opin Biotechnol 19:579–589.
  • Deng L., Su Y., Su H., Wang X., Zhu X. Sorption and desorption of lead (II) from wastewater by green algae Cladophora fascicularis. Journal of Hazardous Materials 2007; 143 (1–2) 220–225.
  • Desai C, Pathak H, Madamwar D (2010) Advances in molecular and ‘‘-omics” technologies to gauge microbial communities and bioremediation at xenobiotic/anthropogen contaminated sites. Biores Technol 101:1558–1569.
  • Edwards BR, Reddy CM, Camilli R, Carmichael CA, Longnecker K, Van Mooy BAS: Rapid microbial respiration of oil from the Deepwater Horizon spill in offshore surface waters of the Gulf of Mexico. Environ Res Lett 2011, 6:035301.
  • Erwin DP, Erickson IK, Delwiche ME, Colwell FS, Strap JL, Crawford RL: Diversity of oxyenase genes from methane- and ammonia-oxidizing bacteria in the Eastern Snake River Plain aquifer. Appl Environ Microbiol 2005, 71:2016-2025.
  • Eyers L, Smoot JC, Smoot LM, Bugli C, Urakawa H, et al. (2006) Discrimination of shifts in a soil microbial community associated with TNT-contamination using a functional ANOVA of 16S rRNA hybridized to oligonucleotide microarrays. Environ Sci Technol 40: 5867-5873.
  • F. M. von Fahnestock, G. B. Wickramanayake, K. J. Kratzke, W. R. Major. Biopile Design, Operation, and Maintenance Handbook for Treating Hydrocarbon Contaminated Soil, Battelle Press, Columbus, OH (1998).
  • Faybishenko B, Hazen TC, Long PE, Brodie EL, Conrad ME, Hubbard SS, Christensen JN, Joyner D, Borglin SE, Chakraborty R et al.: In situ long-term reductive bioimmobilization of Cr(VI) in groundwater using hydrogen release compound. Environ Sci Technol 2008, 42:8478-8485.
  • Fields MW, Bagwell CE, Carroll SL, Yan T, Liu X, Watson DB, Jardine PM, Criddle CS, Hazen TC, Zhou J: Phylogenetic and functional biomakers as indicators of bacterial community responses to mixed-waste contamination. Environ Sci Technol 2006, 40:2601-2607.
  • Fredrickson JK, Romine MF, Beliaev AS, Auchtung JM, Driscoll ME, Gardner TS, Nealson KH, Osterman AL, Pinchuk G, Reed JL et al.: Towards environmental systems biology of Shewanella. Nat Rev Microbiol 2008, 6:592-603.
  • Fulekar MH, Geetha M, Sharma J (2009) Bioremediation of Trichlorpyr Butoxyethyl Ester (TBEE) in bioreactor using adapted Pseudomonas aeruginosa in scale up process technique. Biol Med 1(3):1–6
  • Fulekar MH, Sharma J., (2008) Bioinformatics applied in bioremediation. Innovative Romanian Food Biotechnology. 2(2) 28-36.
  • Gao J, Ellis LBM, Wackett LP (2011) The University of Minnesota pathway prediction system: multi-level prediction and visualization. Nucleic Acids Res 39:W406–W411
  • Gilbert JA, Field D, Huang Y, Edwards R, Li W, Gilna P, Joint I: Detection of large numbers of novel sequences in the metatranscriptomes of complex marine microbial communities. PLoS One 2008, 3(8):e3042.
  • Han RY, Geller JT, Yang L, Brodie EL, Chakraborty R, Larsen JT, Beller HR: Physiological and transcriptional studies of Cr(VI) reduction under aerobic and denitrifying conditions by an aquifer-derived pseudomonad. Environ Sci Technol 2010, 44:7491-7497.
  • Harayama S, Kasai Y, Hara A: Microbial communities in oilcontaminated seawater. Curr Opin Biotechnol 2004, 15:205-214.
  • Hazen TC, Dubinsky EA, DeSantis TZ, Andersen GL, Piceno YM, Singh N, Jansson JK, Probst A, Borglin SE, Fortney JL, Stringfellow WT, Bill M, Conrad ME, Tom LM, Chavarria KL, Alusi TR, Lamendella R, Joyner DC, Spier C, Baelum J, Auer M, Zemla ML, Chakraborty R, Sonnenthal EL, D’haeseleer P, Holman HYN, Osman S, Lu ZM, Van Nostrand JD, Deng Y, Zhou JZ, Mason OU (2010) Deep-sea oil plume enriches indigenous oil-degrading bacteria. Science 330:204–208. doi:10.1126/ Science.1195979
  • Hazen TC, Rocha AM, Techtmann SM (2013) Advances in monitoring environmental microbes. Curr Opin Biotech 24:526–533. doi:10.1016/J.Copbio.2012.10.020 11.
  • Hazen TC, Sayler GS (2016) Environmental systems microbiologyof contaminated environments. In: Yates M, Nakatsu C,Miller RSP (eds) Manual of environmental microbiology, vol 4th edn. ASM Press, Washington, DC, pp 5.1.6-1–5.1.6-10
  • He Z, Gentry TJ, Schadt CW, Wu L, Liebich J, Chong SC, Huang Z, Wu W, Gu B, Jardine P et al.: GeoChip: a comprehensive microarray for investigating biogeochemical, ecological and environmental processes. ISME J 2007, 1:67-77
  • Hemme CL, Deng Y, Gentry TJ, Fields MW, Wu L, Barua S, Barry K, Tringe SG, Watson DB, He Z et al.: Metagenomic insights into evolution of a heavy metal-contaminated groundwater microbial community. ISME J 2010, 4:660-672
  • Hettich RL, Pan CL, Chourey K, Giannone RJ (2013) Metaproteomics: harnessing the power of high performance mass spectrometry to identify the suite of proteins that control metabolic activities in microbial communities. Anal Chem 85:4203–4214. doi:10.1021/ac303053e
  • Hubbard SS, Williams K, Conrad ME, Faybishenko B, Peterson J,Chen JS, Long P, Hazen T: Geophysical monitoring of hydrological and biogeochemical transformations associated with Cr(VI) bioremediation. Environ Sci Technol 2008, 42:3757-3765.
  • Illman WA, Alvarez PJ: Performance assessment of bioremediation and natural attenuation. Crit Rev Environ Sci Technol 2009, 39:209-270.
  • Jiang C. Y., Sheng X. F., Qian M., Wang Q. Y Isolation and characterization of heavy metal resistant Burkholderia species from heavy metal contaminated paddy field soil and its potential in promoting plant growth and heavy metal accumulation in metal polluted soil. Chemosphere 2008; 72:157–164.
  • Kanmani P., Aravind J., Preston D. Remediation of chromium contaminants using bacteria. International Journal of Environmental Science ad Technology 2012; 9:183–193.
  • Katsivela E, Moore ER, Maroukli D, Strömpl C, Pieper D, et al. (2005) Bacterial community dynamics during in-situ bioremediation of petroleum waste sludge in landfarming sites. Biodegradation 16: 169-180.
  • Ken Killham; Jim I. Prosser. The prokaryotes. In: Paul, E. A. (ed.). Soil Microbiology, Ecology, and Biochemistry. Oxford: Elsevier: 2007. p119–144.
  • Kessler JD, Valentine DL, Redmond MC, Du MR, Chan EW, Mendes SD, Quiroz EW, Villanueva CJ, Shusta SS, Werra LM et al.: A persistent oxygen anomaly reveals the fate of spilled methane in the deep Gulf of Mexico. Science 2011, 331:312-315.
  • Khan F, Sajid M, Cameotra SS (2013) In Silico Approach for the Bioremediation of Toxic Pollutants. J Phylogenetics Evol Biol 4:161. doi:10.4172/2157-7463.1000161
  • Kitoni, H. (2002) Systems Biology: A Brief Overview Science .01 Mar 2002: Vol. 295, Issue 5560, pp. 1662-1664.
  • Klipp E, Liebermeister W, Wierling C, Kowald A, Herwig R(2016) Systems biology: a textbook. Wiley, New York.
  • Koehmel, J. Sebastian, A., Prasad, M. N. V. (2016) Advancing Bioremediation through systems biology and synthetic biology. Chapter 26. 677-680. In Bioremediation and Bioeconomy. Ed by M. N. V. Prasad. Elsevier, USA.
  • Kujan P., Prell A., Safár H., Sobotka M., Rezanka T., Holler P. Use of the industrial yeast Candida utilis for cadmium sorption. Folia Microbiologica. 2006; 51 (4) 257–260.
  • Kumar A., Bisht B. S., Joshi V. D., Dhewa T. Review on bioremediation of polluted environment: a management tool. International Journal of Environmental Sciences 2011; 1 (6) 1079–1093.
  • Kundu, D., Hazra, C., Chaudhari, A. Bioremediation of Nitroaromatics (NACs)- Based Explosives: Integrating ‘-omics’ and unmined Microblome Richness (2014) Biological Remediation of Explosive Residues ed by. Singh, S. H. Springer. 179-199.
  • Leahy JG, Colwell RR (1990) Microbial degradation of hydrocarbons in the environment. Microbiol Rev 54: 305-315.
  • Lee Y. C., Chang S. P. The biosorption of heavy metals from aqueous solution by Spirogyra and Cladophora filamentous macroalgae. Bioresource Technology 2011; 102 (9) 5297–5304.
  • Lehman RM, O’Connell SP, Banta A, Fredrickson JK, Reysenbach AL, Kieft TL, Colwell FS: Microbiological comparison of core and groundwater samples collected from a fractured basalt aquifer with that of dialysis chambers incubated in situ. Geomicrobiol J 2004, 21:169-182.
  • Liu P, Meagher RJ, Light YK, Yilmaz S, Chakraborty R, Arkin AP, Hazen TC, Singh AK: Microfluidic fluorescence in situ hybridization and flow cytometry (mFlowFISH). Lab on a Chip 2011, 11:2673-2679.
  • Lovley DR (2003) Cleaning up with genomics: applying molecular biology to bioremediation. Nat Rev Microbiol 1:35–44.doi:10.1038/nrmicro731
  • Lu Z, Deng Y, Van Nostrand JD, He Z, Voordeckers J, Zhou A, Lee Y.-J., Mason OU, Dubinsky EA, Chavarria KL et al.: Microbial gene functions enriched in the Deepwater Horizon deep-sea oil plume. ISME J, doi:10.1038/ismej.2011.91.
  • Luciene M. Coelho, Helen C. Rezende, Luciana M. Coelho, Priscila A.R. de Sousa, Danielle F.O. Melo and Nívia M.M. Coelho (2015). Bioremediation of Polluted Waters Using Microorganisms, Advances in Bioremediation of Wastewater and Polluted Soil, Prof. Naofumi Shiomi (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/60770. Available from: intechopen.com/books/advances-in-bioremediation-of-wastewater-and-polluted-soil
  • Machado M. D., Soares E. V., Soares H. M. Removal of heavy metals using a brewer’s yeast strain of Saccharomyces cerevisiae: chemical speciation as a tool in the prediction and improving of treatment efficiency of real electroplating effluents. Journal of Hazardous Materials 2010; 180(1–3) 347–353.
  • Mane P. C., Bhosle A. B. Bioremoval of some metals by living Algae spirogyra sp. and Spirullina sp. from aqueous solution. International Journal of Environmental Research 2012; 6(2) 571–576.
  • Mejáre M., Bülow L. Metal-binding proteins and peptides in bioremediation and phytoremediation of heavy metals. Trends in Biotechnology 2001; 19 (2) 67–73.
  • Mills DK, Fitzgerald K, Litchfield CD, Gillevet PM (2003) A comparison of DNA profiling techniques for monitoring nutrient impact on microbial community composition during bioremediation of petroleum-contaminated soils. J Microbiol Methods 54: 57-74.
  • Moreels D, Bastiaens L, Ollevier F, Merckx R, Diels L, et al. (2004) Effect of in situ parameters on the enrichment process of MTBE degrading organisms. Commun Agric Appl Biol Sci 69: 3-6.
  • Moriya Y, Shigemizu D, Hattori M, Tokimatsu T, Kotera M, Goto S, Kanehisa M (2010) PathPred: an enzyme-catalyzed metabolic pathway prediction server. Nucleic Acids Res 38:W138–W143
  • Nicol GW, Schleper C: Ammonia-oxidising Crenarchaeota: important players in the nitrogen cycle? Trends Microbiol 2006, 14(5):207-212.
  • Nicolaou S. A., Gaida S. M., Papoutsakis E. T. A comparative view of metabolite and substrate stress and tolerance in microbial bioprocessing: from biofuels and chemicals, to biocatalysis and bioremediation. Metabolic Engineering 2010; 12 (4) 307–331.
  • Palumbo AV, Schryver JC, Fields MW, Bagwell CE, Zhou JZ, Yan T, Liu X, Brandt CC: Coupling of functional gene diversity and geochemical data from environmental samples. Appl Environ Microbiol 2004, 70:6525-6534
  • Pandey J, Chauhan A, Jain RK (2009) Integrative approaches for assessing the ecological sustainability of in situ bioremediation. FEMS Microbiol Rev 33: 324-375.
  • Rahm BG, Chauhan S, Holmes VF, Macbeth TW, Sorenson KSJ, Alvarez-Cohen L: Molecular characterization of microbial populations at two sites with differing reductive dechlorination abilities. Biodegradation 2006, 17:523-534.
  • Ramasamy R. K., Congeevaram S., Thamaraiselvi K. Evaluation of isolated fungal strain from e-waste recycling facility for effective sorption of toxic heavy metal Pb (II) ions and fungal protein molecular characterization-a Mycoremediation approach. Asian Journal of Experimental Biological Sciences 2011; 2(2) 342–347.
  • Roane T. M., Josephson K. L., Pepper I. L. Dual-bioaugmentation strategy to enhance remediation of cocontaminated soil. Applied and Environmental Microbiology 2001; 67 (7) 3208–3215.
  • S.R. Gill, M. Pop, R.T. DeBoy, P.B. Eckburg, P.J. Turnbaugh, B.S. Samuel, J.I. Gordon, D.A. Relman, C.M. Fraser-Liggett, K.E. Nelson Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome Science, 312 (2006), pp. 1355–1359.
  • Say R., Yimaz N., Denizli A. Removal of heavy metal ions using the fungus Penicillium canescens. Adsorption Science and Technology 2003; 21 (7) 643–650.
  • Scow KM, Hicks KA: Natural attenuation and enhanced bioremediation of organic contaminants in groundwater. Curr Opin Biotechnol 2005, 16:246-253.
  • Scragg, A. (2005) Bioremediation. In Environmental Biotechnology. Oxford. 173-229. USA.
  • Sharma S. Bioremediation: features, strategies and applications. Asian Journal of Pharmacy and Life Science 2012; 2 (2) 202–213.
  • Singh R., Singh P., Sharma R. Microorganism as a tool of bioremediation technology for cleaning environment: a review. Proceedings of the International Academy of Ecology and Environmental Sciences, 2014; 4(1) 1–6.
  • Song DL, Conrad ME, Sorenson KS, Alvarez-Cohen L: Stable carbon isotope fractionation during enhanced in situ bioremediation of trichloroethene. Environ Sci Technol 2002, 36:2262-2268.
  • Tastan B. E., Ertugrul S., Donmez G. Effective bioremoval of reactive dye and heavy metals by Aspergillus versicolor. Bioresource Technology 2010; 101(3) 870–876.
  • Techtmann, S. M., Hazen, T. C. (2016) Metagenomic applications in environmental monitoring and bioremediation J Ind Microbiol Biotechnol (2016) 43:1345–1354.
  • Thapa B., Kumar A., Ghimire A. A Review on bioremediation of petroleum hydro‐ carbon contaminants in soil. Kathmandu University Journal of Science, Engineering and Technology 2012; 8 (1) 164–170.
  • V. Desjardin, R. Bayard, N. Huck, A. Manceau, R. Gourdon Effect of microbial activity on the mobility of chromium in soils Waste Manag, 22 (2002), pp. 195–200.
  • Valentine DL, Kessler JD, Redmond MC, Mendes SD, Heintz MB, Farwell C, Hu L, Kinnaman FS, Yvon-Lewis S, Du MR et al.: Propane respiration jump-starts microbial response to a deep oil spill. Science 2010, 330:208-211.
  • Van Nostrand JD, Wu W-M, Wu L, Deng Y, Carley J, Carroll S, He Z, Gu B, Luo J, Criddle CS et al.: GeoChip-based analysis of functional microbial communities during the reoxidation of a bioreduced uranium-contaminated aquifer. Environ Microbiol 2009, 11:2611-2626.
  • Vidali M (2001) Bioremediation. An overview. Pure Appl Chem 73: 1163–1172.
  • Vullo D. L., Ceretti H. M., Daniel M. A., Ramírez S. A., Zalts A. Cadmium, zinc and copper biosorption mediated by Pseudomonas veronii 2E. Bioresource Technology 2008; 99 (13) 5574–5581.
  • Waldron PJ, Wu L, Nostrand JDV, Schadt CW, He Z, Watson DB, Jardine PM, Palumbo AV, Hazen TC, Zhou J: Functional gene array-based analysis of microbial community structure in groundwaters with a gradient of contaminant levels. Environ Sci Technol 2009, 43:3529-3534.
  • Wasilkowski D., Swedziol Ż., Mrozik A. The applicability of genetically modified microorganisms in bioremediation of contaminated environments. Chemik 2012; 66 (8) 822–826.
  • Wenderoth DF, Rosenbrock P, Abraham WR, Pieper DH, Höfle MG (2003) Bacterial community dynamics during biostimulation and bioaugmentation experiments aiming at chlorobenzene degradation in groundwater. Microb Ecol 46: 161-176.
  • Werner JJ, Ptak AC, Rahm BG, Zhang S, Richardson RE: Absolute quantification of Dehalococcoides proteins: enzyme bioindicators of chlorinated ethene dehalorespiration. Environ Microbiol 2009, 11:2687-2697.
  • Wilmes P, Bond PL: Metaproteomics: studying functional gene expression in microbial ecosystems. Trends Microbiol 2006, 14(2):92-97.
  • Y. Hu, C. Fu, Y. Yin, G. Cheng, F. Lei, X. Yang, J. Li, E. Ashforth, L. Zhang, B. Zhu Construction and preliminary analysis of a deep-sea sediment metagenomic fosmid library from Qiongdongnan Basin, South China Sea Mar Biotechnol, 12 (2010), pp. 719–727.
  • Zhou AF, He ZL, Qin YJ, Lu ZM, Deng Y, Tu QC, Hemme CL, Van Nostrand JD, Wu LY, Hazen TC, Arkin AP, Zhou JZ (2013) StressChip as a high-throughput tool for assessing microbial community responses to environmental stresses. Environ Sci Technol 47:9841–9849. doi:10.1021/es4018656
  • Zhou JZ, He Q, Hemme CL, Mukhopadhyay A, Hillesland K, Zhou AF, He ZL, Van Nostrand JD, Hazen TC, Stahl DA et al.: How sulphate-reducing microorganisms cope with stress: lessons from systems biology. Nat Rev Microbiol 2011, 9:452-466.

Funding

Disclaimer

The European Commission support for the production of this publication does not constitute endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsi-ble for any use which may be made of the information contained therein.