LO10: Biyoremediasyon için Sistem Biyolojisi Uygulamaları

Giriş

Çevresel kirleticiler, içerdikleri istenmeyen inatçı ve ksenobiyotik bileşikler nedeniyle önemli bir küresel sorun haline gelmiştir. Çeşitli polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH), ksenobiyotikler, klorlanmış ve nitro-aromatik bileşiklerin canlı organizmalar için oldukça toksik, mutajenik ve kanserojen oldukları bilinmektedir.

Bu kirleticiler; kimyasallar (boya, tarım, ilaç, vb), petrokimya sanayi (petrol rafinerileri, yakıt dökülmeleri), metaller (demir çelik endüstrisi, gemi yapımı vb.) enerji üretimi (enerji santralleri), madencilik endüstrileri ve su temini ve kanalizasyon sistemlerinden kaynaklanmaktadır. Bu maddelerin doğa üzerinde etkileri kaçınılmazdır. Bu kirleticilerin arıtımı için çeşitli fiziko-kimyasal süreçler geliştirilmiştir; fakat bu yaklaşımlar genellikle çok pahalı, spesifik olmayan ya da ikincil kontaminasyona neden olma potansiyeline sahiptir. Ancak mikroorganizmaların da kirleticileri degrade edebilme (bozunmasını sağlama) özellikleri vardır ve kimyasal kirleticilerle kirlenmiş ekolojik nişlerin restorasyonu için çevre dostu ve uygun maliyetli yöntemlerden biri olarak kabul edilebilir. Sonuç olarak, genellikle biyoremediasyon olarak bilinen çevre dostu biyo-temelli arıtma sistemlerine olan ilgi artmıştır. Her ne kadar biyoremediasyon 60 yıldan fazla bir süredir farklı derecelerde kullanılıyor olsa da, örneğin petrol kirliliği, tarihsel olarak, değişikliklerin yapıldığı ve kirletici maddelerin bozulmasının sağlandığı, “kara kutu” mühendislik çözümü olarak uygulanmaktadır. Bu yaklaşım genellikle başarılıdır, çoğu zaman sonuçların istenenden daha az olması, yani kirletici maddenin bozulmaması, hatta daha fazla toksik yan ürününün üretilmesi söz konusu değildir. Başarılı biyoremediasyonun anahtarı, çevresel kirleticilerin dönüşümlerini katalize etmek için mikroorganizmaların doğal olarak oluşan katabolik kabiliyetini kullanmaktır.

Bioremediasyon

Biyoremediasyon, belirli bölgelerdeki çevresel kirleticilerden kaynaklanan zararlı etkilerin azaltılması için biyolojik faaliyetlerin (ve mümkün olan her yerde tamamen ortadan kaldırılması için) kullanılmasıdır. Biyoremediasyonda, yosun, bakteri, mantar ve maya gibi biyolojik aktiviteye sahip mikroorganizmalar doğal olarak oluşan formlarda kullanılabilirler.

Şekil 1. Biyeremediyasyon sürecinde kullanılan mikroorganizma türleri (Coelho et al. 2015).

Şekil 1. Biyeremediyasyon sürecinde kullanılan mikroorganizma türleri (Coelho et al. 2015).

Şekil 1 de görüldüğü üzere, bu tür arıtma süreçlerinde en yaygın olarak kullanılan mikroorganizma türleri; maya ve alglerle birlikte bakteri ve mantarlardır.

Biyoremediasyonda kullanılan organizma türleri

Tipik olarak, biyoremediasyon, bir organizmanın veya bir mikroorganizma konsorsiyumunun kometabolizma eylemine dayanır. Bu süreçte, kirletici maddelerin transformasyonu, ya hücre üzerinde az bir etkinlik gösterir ya da yarar sağlamaz ve bu nedenle bu süreç, ‘yararsız biyo-transformasyon’ olarak tanımlanır. Birçok çalışma göstermiştir ki, organizmaların çoğu (prokaryotlar ve ökaryotlar) toksik ağır metal iyonları biyosorbunda doğal bir kapasiteye sahiptir. Ağır metaller için biyoremidasyon ile arıtmada çalışılan ve stratejik olarak kullanılan mikroorganizmaların örnekleri arasında şunlar sayılabilir: (1) bakteriler: Arthrobacter spp., Pseudomonas veroni (Vullo et al. 2008), Burkholderia spp., Kocuria flava, Bacillus cereus and Sporosarcina; (2) mantarlar: Penicillium canescens, Aspergillus versicolor, and Aspergillus fumigatus; (3) algler: Cladophora fascicularis, Spirogyra spp. and Cladophora spp. and Spirogyra spp. and Spirullina spp ve (4) mayalar: Saccharomyces cerevisiae and Candida utilis. Prokaryotlar (bakteri ve arkeologlar) ökaryotlardan (protistler, bitkiler, mantarlar ve hayvanlar) ayrılır. Ökaryotların hücresel yapısı, bir çekirdek (nükleus) ve diğer zarla kapalı organellerin varlığı ile karakterize edilir. Ayrıca, prokaryotlardaki ribozomlar ökaryotlardan (80S) daha küçüktür (70S). Mikroorganizmaların ağır metal iyonları ile etkileşime girme şekli, kısmen ökaryotlar veya prokaryotlar olup olmadığına bağlıdır; buradaki ökaryotlar, prokaryotlara kıyasla metal toksisitesine daha duyarlıdır. Olası etkileşim modları; (a) metalin aktif ekstrüzyonu, (b) çeşitli metal bağlayıcı peptitler ile hücre içi şelatlama (ökaryotlarda) ve (c) azaltılmış toksisite ile diğer kimyasal türlere dönüşümüdür. Biyoemediasyonun etkili olması için mikroorganizmalar kirletici maddelere enzimatik olarak saldırmalı ve onları zararsız ürünlere dönüştürmelidir. Bakteriler ve daha yüksek organizmalar, toksik metallere karşı dirençli ve onları zararsız hale getiren mekanizmalar geliştirmişlerdir. Aeroblar, anaeroblar ve mantarlar da dahil olmak üzere birçok mikroorganizma, enzimatik bozunma işlemini gerçekleştirebilir. Bioremediasyon sistemlerinin çoğu aerobik koşullar altında gerçekleştirilir, anaerobik koşullar sadece mikrobiyal organizmaların, rekalsitran moleküllerin bozulmasını mümkün kılar. Kirleticilere maruz kalmış bir alanda birkaç farklı kirletici türü mevcut olabileceğinden, etkili bir arıtma için çeşitli mikroorganizma türleri gereklidir. Örneğin, bazı mikroorganizma türleri, petrol hidrokarbonlarını parçalayabilir ve bunları karbon ve enerji kaynağı olarak kullanabilir. Arıtmada kullanılacak organizmaların seçimi; kirletici maddelerin kimyasal yapısına bağlı olarak değişkendir, sadece sınırlı sayıda kimyasal kirletici varlığında hayatta kaldıkları için dikkatlice seçilmelidir. Bozunma sürecinin etkinliği, belirli mikroorganizmaların hidrokarbon içine moleküler oksijeni sokma potansiyeli ve daha sonra hücrenin genel enerji veren metabolik yoluna (pathway) giren ara maddeleri üretmesiyle ilgilidir. Bazı bakteriler kirletici maddeyi araştırırlar ve potansiyel olarak kemotaktik bir cevap olarak esnek bir şekilde sergiledikleri için ona doğru hareket ederler. Çok sayıda mikroorganizma, bir gıda kaynağı olarak yağdan faydalanabilir ve birçoğu, yağı su içinde emülsiyon haline getirebilen ve çıkarılmasını kolaylaştırabilecek güçlü yüzey aktif bileşikler üretir. Petrol ürünlerini bozabilen bakteriler arasında Pseudomonas, Aeromonas, Moraxella, Beijerinckia, Flavobacteria, Chrobacteria, Nocardia, Corynebacteria, Modococci, Streptomyces, Bacilli, Arthrobacter, Aeromonas ve siyanobakteriler ve bazı mayalar bulunur. Örneğin, Pseudomonas putida MHF 7109, benzen, tolüen ve o-ksilen (BTX) gibi seçilmiş petrol hidrokarbon bileşiklerinin biyodegradasyonu için inek gübresi mikrobiyal konsorsiyumundan izole edilebilir.

Biyoremediasyon Stratejileri

Birçok durumda, kontamine olmuş alanların temizlenmesi; immobilizasyon, giderme (kazma ve boşaltma), termal ve çözücü muameleleri gibi fiziksel ve kimyasal yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ancak, biyoteknolojideki ilerlemelerle birlikte, biyolojik olarak kirleticilerin mikroorganizmalar tarafından bozunarak uzaklaştırılmasını esas alan “biyoremediasyon” olarak bilinen süreçler ortaya çıkmıştır. Potansiyel olarak biyoremediasyon kimyasal ve fiziksel seçeneklerden daha ucuzdur, düşük konsantrasyonlardaki kontaminantların gideriminde daha etkindir fakat işlem daha uzun sürebilir.

Hem toprak da hem de suda gerçekleşebilecek biyoremediasyon stratejileri aşağıda verilmiştir;

  • Yerli mikroorganizmaların kullanımı
  • Yerli populasyonların kullanımının teşvik edilmesi
  • Bioaugmentation (biyo-büyüme); uyarlanmış veya tasarlanmış aşıların eklenmesi
  • Genetiği değiştirilmiş mikroorganizmaların eklenmesi
  • Fitoremediasyon

Süreç kirlilikten etkilenen aynı yerde gerçekleşirse, o zaman yerinde-in situ (saha içi) biyoremediasyon senaryosu ortaya çıkar. Aksine, kontamine olmuş materyalin (toprak ve su) biyokatalizini yoğunlaştırmak için farklı bir yere taşınması ex situ (saha dışı) uygulama olarak adlandırılır.

In situ (saha içi) ve Ex situ (saha dışı) Teknikler

In situ (Saha içi) biyoremediasyon uygulamaları şunlardır:

Bioventing (Biyo-havalandırma): Biyo-havalandırma, en yaygın kullanılan in situ arıtma (giderim) yöntemidir ve yerli bakterileri harekete geçirmek için kuyular aracılığıyla kirlenmiş toprağa hava ve besin temin etmeyi içermektedir. Düşük hava akım hızı sağlar ve kirleticilerin atmosfere salımını ve buharlaşmasını en aza indirirken, sadece biyolojik parçalanma için gerekli olan oksijen miktarını sağlar. Basit hidrokarbonlar için etkilidir ve kirlenmenin yüzeyin altında olduğu yerlerde kullanılabilir.

Biyodegradasyon (Biyo-ayrışma/parçalanma) Biyodegradasyon, organik kirleticileri parçalamak için kirlenmiş alanda ortaya çıkan çok sayıda organizmayı harekete geçirmek amacıyla kirlenmiş toprakların içinde sulu çözeltileri dolaştırarak oksijen ve besin teminini içermektedir. Genel olarak bu teknik, kirlenmiş topraklar ve yeraltı suları için kullanılabilir. Bu teknik, su içeren besinlerin infiltrasyonu ve yeraltı suyu arıtımı için oksijen veya diğer elektron alıcılarının infiltrasyonu gibi koşulları içerir.

Biyosparging (biyo-serpme) Bu yöntem, doymuş alandaki organik maddeleri ayrıştırmak için yerli mikroorganizmaları kullanan in-situ remediasyon teknolojilerinden birisidir. Doğal olarak oluşan mikroorganizmaların biyolojik faaliyetlerini arttırmak için, hava ve besinler doymuş bölgeye enjekte edilir. Biyolojik serpme, petrol bileşenlerinin kirlettiği yeraltı suyunu ve toprağı temizlemek için kullanılır. Küçük çaplı hava enjeksiyon noktalarının kurulum kolaylığı ve düşük maliyeti, sistemin tasarımında ve yapımında önemli esneklik sağlamaktadır.

Biyo-augmentasyon (biyo-büyüme) Bu yöntem, kirlenmiş sahalarda doğal olarak oluşan ya da bu sahalara dışarıdan getirilen mikroorganizmaların eklenmesini içermektedir. Saha içi uygulamalarda, arıtmada iki faktör eklenen mikrobiyal kültürlerin kullanımını sınırlamaktadır: 1) Yerli olmayan kültürler, yararlı popülasyon seviyelerini geliştirmek ve sürdürmek için yerli bir popülasyonla yeterince iyi rekabet edemez ve 2) arıtma ünitesinin iyi yönetilmesi durumunda; biyolojik olarak bozunabilir atıklara uzun süre maruz kalan çoğu toprak, bozunmada etkili olacak yerli mikroorganizmalara sahiptir.

Ex situ biyoremediasyon teknolojileri, etkilenen toprağın (kazı ile) ve suyun (pompalama ile) orijinal yerlerinden alınıp in-situ (sahada) ve ex-situ (saha dışında) temizlendiği remediasyon seçeneğidir.

Arazi Islahı Bu yöntem, kirlenmiş toprağın kazıldığı ve önceden hazırlanmış bir yatak üzerine yayıldığı ve kirletici maddeler bozulana kadar periyodik olarak döküldüğü basit bir tekniktir. Amaç, yerli biyodegradatif mikroorganizmaları uyarmak ve kirleticilerin aerobik degradasyonunu kolaylaştırmaktır. Genel olarak, uygulama yüzeysel 10–35 cm'lik toprağın iyileştirilmesi ile sınırlıdır. Arazi ıslahı, izleme ve bakım maliyetlerini azaltma ve kaliteli arıtma potansiyeline sahip olduğundan, bertaraf alternatifleri içerisinde dikkati çekmektedir.

Kompostlama (Çürütme) Kompostlama yöntemi, termofilik koşullar altındaki (40- 65° C) mikroorganizmalar tarafından organik atıkların ayrıştırılması sürecidir. Kirlenmiş toprağın gübre veya tarımsal atıklar gibi tehlikeli olmayan organiklerle tepkimesini içeren bir tekniktir. Bu organik materyallerin varlığı zengin mikrobiyal popülasyonun gelişmesini ve kompostlama için gerekli sıcaklık artışını destekler.

Biyopiles (Biyo-yığın) Biyopiles, arazi ıslahı ve kompostlamanın hibrit bir sistem olarak kullanıldığı bir biyoremediasyon teknolojisidir. Esasen, mühendislik hücreleri havalandırılmış kompost yığınları olarak inşa edilmiştir. Yıkama ve buharlaşma yoluyla kirleticilerin fiziksel kayıplarını kontrol altında tutmaya çalışan arazi tarımının rafine bir versiyonu olan bu teknik, petrol hidrokarbonları ile oluşan yüzey kirlenmelerinin bertarafı için kullanılmaktadır. Biopiles, petrolle kirlenmiş topraklar için uygulanabilir; yerli aerobik ve anaerobik mikroorganizmalar için uygun bir ortam sağlar.

Biyoreaktörler Çamur (slurry) ya da sulu reaktörler, kirlenmiş su veya toprağın ex situ olarak temizlenmesinde (arıtılmasında) kullanılırlar. Reaktörlerde biyoremediyasyon, kirlenmiş katı malzemenin (toprak, tortu, çamur) ya da suyun tasarlanan muhafazalı bir sistemde (reaktör) işlenmesi prensibine dayanır. Bir çamur biyo-reaktörü, toprağa bağlı ve suda çözünebilen kirleticilerin biyoremediasyon oranını arttırmak için üç fazlı (katı, sıvı ve gaz) bir karıştırma koşulu oluşturmak için kullanılan bir muhafaza kabı ve aparatı olarak tanımlanabilir. Genel olarak, biyo-bozunmanın oranı ve kapsamı, biyo-reaktör sisteminde in situ veya katı fazlı sistemlerde daha büyüktür, çünkü içerilen ortam daha yönetilebilir ve dolayısıyla daha kontrol edilebilir ve tahmin edilebilirdir. Reaktör sistemlerinin avantajlarına rağmen, bazı dezavantajları da vardır; kirlenmiş toprak, ön-işlemeyi (örneğin, kazı) gerektirir ya da alternatif olarak kirletici, bir biyoreaktöre yerleştirilmeden önce toprak yıkama ya da fiziksel ekstraksiyon yoluyla topraktan ayrılabilir.

Biyoremediyasyon stratejileri Tablo 1 de özetlenmektedir:

Table 1. Biyoremediasyon stratejilerinin özeti

Teknik Örnekler Avantajları Sınırlılıkları Dikkate alınması gerekli faktörler
In situ (saha içi) Saha içi biyoremediasyon Biyosparging (biyo-serpme) Bioventing (Biyo-havalandırma) Bioaugmentasyon ((biyo-büyüme) En verimli maliyet Noninvaziv (yayılımcı olmayan) Nispeten pasif Doğal azaltım süreçleri Su ve toprakta etkili Çevresel kısıtlılıklar Daha uzun arıtma Süresi Izlemede güçlükler Yerli m.o. ların biyodegradatif özellikleri Metal ve diğer inorganiklerin mevcudiyeti Çevresel parametreler Kirleticilerin parçalanabilirliği Kimyasal çözünürlük Jeolojik faktörler Kirleticilerin dağılımı
Ex situ (saha dışı) Arazi Islahı Kompostlama Biopiles (Biyo-yığın) Düşük maliyet Alanda da uygulanabilir Alan gerektirmesi Daha uzun arıtma süresi Abiyotik kayıpların kontrol ihtiyacı Kütle transferi problemi Biyomevcudiyetin sınırlı olması Bkz in situ
Biyoreaktörler Çamur reaktörler Sulu reaktörler Hızlı parçalanma kinetiği Optimize edilmiş çevresel parametreler Kütle transferinin artması Aşılama maddelerinin ve sürfaktanların etkili kullanımı Toprakta kazı gerekliliği Nispeten yüksek ilk yatırım maliyeti Nisbeten yüksek işletme giderleri Bkz in situ Biyoaugmentasyon Kirleticilerin toksik konsantrasyonları

Biyoremediasyonun avantaj ve dezavantajları

Avantajları

  • Biyoremediasyon doğal bir süreçtir ve bu nedenle halk tarafından toprak gibi kirlenmiş maddelerin arıtımı için kabul edilebilir bir yöntemdir. Kirleticilerin konsantrasyonlarının artışı ile birlikte mikroorganizma konsantrasyonu da artar. Kirletici bozulduğunda, biyodegradatif popülasyon azalır. Arıtmanın kalıntıları genellikle zararsız ürünlerdir ve karbon dioksit, su ve hücre biyokütlesi içerir.
  • Teorik olarak biyoremediasyon, çok çeşitli kirleticilerin tamamen yok edilmesi için faydalıdır. Yasal olarak tehlikeli olduğu düşünülen birçok bileşik, zararsız ürünlere dönüştürülebilir. Bu, kontamine materyallerin arıtılması ve bertarafı ile ilgili gelecekteki sorumluluk olasılığını ortadan kaldırır.
  • Bir çevresel ortamdan diğerine, örneğin karadan suya veya havaya bulaşan kirletici maddelerin transfer edilmesi yerine, hedef kirleticilerin tamamen tahrip edilmesi mümkündür.
  • Biyoremediasyon genellikle, genellikle normal aktivitelerde büyük bir aksama olmadan, sahada gerçekleştirilebilir. Bu durum, saha da oluşan atıkların taşınması ihtiyacını da ortadan kaldırdığından, insan sağlığına ve nakliye sırasında ortaya çıkabilecek çevreye yönelik olası tehditleri de ortadan kaldırır.
  • Biyoremediasyon, tehlikeli atıkların temizlenmesi için kullanılan diğer teknolojilerden daha ucuz olabilir.

Dezavantajları

  • Biyo-dejenerasyon, biyobozunur olan bileşiklerle sınırlıdır. Tüm bileşikler hızlı ve tam bozulmaya karşı hassas değildir.
  • Biyolojik bozunma ürünlerinin ana bileşikten daha kalıcı veya toksik olabileceğine dair bazı endişeler vardır.
  • Biyolojik süreçler genellikle oldukça spesifiktir. Başarı için gerekli olan önemli olan faktörler arasında metabolik olarak yetenekli mikrobiyal popülasyonların varlığı, uygun çevresel büyüme koşulları ve uygun seviyelerde besin ve kirleticiler bulunmaktadır.
  • Tez ve pilot ölçekli çalışmalardan tam ölçekli saha operasyonlarına çıkarım yapmak zordur.
  • Ortamda eşit olarak dağılmamış karmaşık kirletici karışımları olan sahalar için uygun olan biyoremiasyon teknolojilerini geliştirmek ve bunun için de araştırma yapılması gerekmektedir.
  • Kirletici maddeler katı, sıvı ve gaz hallerinde bulunabilir.
  • Biyoremediasyon genellikle kazı ve toprağın çıkarılması veya yakılması gibi diğer arıtım seçeneklerinden daha uzun sürer.
  • “Temiz” kavramı için kabul edilen tam bir tanım yoktur, biyoremediasyonun performansını değerlendirmek zordur ve biyoremidasyon tedavileri için kabul edilebilir bir son nokta bulunmamaktadır (Vidalı, 2001).

Biyoremediasyonu Etkileyen Çevresel Faktörler

Besin Maddeleri

Kontamine olmuş toprakta, her nekadar mikroorganizmalar bulunsa da, alanın remediasyonu için gerekli sayıda bulunmayabilirler. Mikroorganizmaların büyümesi ve aktiviteleri desteklenmelidir. Bu işlem (biyostimulasyon) genellikle, yerli mikroorganizmalara yardımcı olmak için besin ve oksijen ilavesini içerir. Bu besinler yaşamın temel yapı taşlarıdır ve mikroorganizmaların kirletici maddeleri parçalamak için gerekli enzimleri oluşturmasını sağlarlar. Bütün mikroorganizmalar azot, fosfor ve karbona ihtiyaç duyarlar. Karbon, canlı formların en temel elementidir ve karbon gereksinimi diğer elementlerden daha fazladır. Hidrojen, oksijen ve azota ek olarak, hücrelerin ağırlığının yaklaşık % 95'ini oluşturur.

Fosfor ve kükürt, kalanların % 70'ine katkıda bulunur. Besin gereksiniminde; Karbon: Azot oranı 10: 1; Karbon: Fosfor oranı 30: 1'dir.

Çevresel Gereklilikler

Mikrobiyal büyüme ve aktivite; pH, sıcaklık ve nem oranı ile ilişkilidir. Mikroorganizmalar ekstrem koşullarda izole edilmiş olsalar da, birçoğu ancak dar bir aralıkta optimal şekilde büyürler; bu nedenle optimal koşulların sağlanması çok önemlidir. Toprak çok asitli ise, kireç ekleyerek pH'ı azaltmak mümkündür. Sıcaklık; biyokimyasal reaksiyon hızını etkiler, her 10 ° C'lik sıcaklık artışı, reaksiyon hıızını iki katına çıkarır, fakat unutulmamalıdır ki, belli bir sıcaklığın üzerinde, hücreler ölür. İlkbahar, yaz ve sonbahar sonlarında güneşden ısısından daha çok faydalanmak için plastik örtüler kullanılabilir. Su tüm canlıların olmazsa olmazıdır ve optimum nem seviyesine ulaşmak için sulama gereklidir. Sistemdeki mevcut oksijen miktarı, sistemin aerobik veya anaerobik olup olmadığını belirler. Hidrokarbonlar aerobik koşullar altında kolayca bozulurken, klorür bileşikleri sadece anaerobik olarak ayrıştırılır. Toprak, içindeki oksijen miktarını arttırmak için karıştırılır. Bazı durumlarda, ortama hidrojen peroksit veya magnezyum peroksit eklenebilir. Toprağın yapısı hava, su ve besin maddelerinin etkili bir şekilde karışmasını kontrol eder. Toprak yapısını iyileştirmek için, alçı veya organik madde gibi malzemeler eklenebilir. Düşük toprak geçirgenliği, suyun, besinlerin ve oksijenin hareketini engelleyebilir; bu nedenle, düşük geçirgenliğe sahip topraklar saha içi temizleme/arıtma teknikleri için uygun olmayabilir.

Çevresel faktörlerin biyodegredasyon (parçalanma) üzerindeki etkileri

Daha önce yapılan biyoremediasyon çalışmaları doğal çevre koşulları altında gerçekleştirilmemiştir. Bu nedenle çevresel faktörlerin biyoremediasyon süreci üzerindeki etkileri hakkında bir bilgi birikimi yoktur. Ancak bugün in situ biyoremediasyon tekniklerinin gelişmesi ile birlikte; kirlenmiş ortamların fizyolojik ve kimyasal durumları, besin maddelerinin mevcudiyeti, yardımcı kirleticilerin özellikleri ve konsantrasyonları, kirlilik düzeyi, yerli mikroorganizma topluluklarının organizasyonları gibi çevresel faktörlerin önemi anlaşılmıştır. Çeşitli biyotik ve abiyotik faktörler biyoremediasyonda rol oynamaktadır. Bu faktörler arasındaki dinamik etkileşim, O2 temini, elektron taşınımı, su, sıcaklık, pH, tuz konkonsantrasyonları, vb fiziko-kimyasal koşulların oluşturduğu abiyotik şartlarda gerçekleşir. Yukarıdaki çevresel faktörler, belirli kimyasal kaynaklar ve enerji kaynağının mevcudiyeti ile birlikte endojen mikrobiyal topluluk yapılarının dinamiğini belirler.

Biyoremediasyon senaryolarında yer alan faktörler, yukarıda tartışılan biyolojik katalizörlerden ve kirleticilerden çok daha fazla elementi içerir. Dinamik etkileşimler, O2 gerilimi, elektron akseptörleri, su, sıcaklık, granülasyon gibi fiziko-kimyasal koşullarda, çoğu zaman, zaman içinde ve katalizin seyrini değiştiren abiyotik ortamlarda meydana gelir. Bu tür abiyotik koşullar, endojen mikrobiyal toplulukların tür kompozisyonunu, C ve enerji kaynağı olarak verilen kimyasal türlerin mevcudiyetine (veya daha fazlasına) kadar belirler. Biyoremediasyon, tipik indirgeyici yaklaşımlara (ör., bir bileşik, bir suş ve bir yol) uymayan, çok ölçekli bir karmaşık bir süreçtir. Bu karmaşıklığı nasıl aşabiliriz?

Mikroorganizmalar, biyoremediasyonun itici güçleri olduğundan, mikrobiyal topluluğun bileşimi ve aktivitesindeki kaymalar, çevre kirliliğinin gidişatını etkileyebilir. Son çalışmalarda, çeşitli biyoremedidsyon müdahalelerinde yer alan mikrobiyal toplulukları daha iyi anlamak için “yeni nesil sıralama yaklaşımları” kullanılmıştır. Bu yaklaşımlar, biyoremediasyonda yer alan mikrobiyal süreçleri ve kirleticilerin ortamdan uzaklaştırılması için gerekli tepki stratejilerini daha iyi anlamamızı sağlamıştır. Moleküler biyoloji ve metagenomiklerin kullanımı, bu kontamine ortamlarda bulunan biyolojik sistemleri ve birçok durumda mikrobiyal dünyayı daha iyi anlamamıza çok büyük katkı sağlamıştır. Bu bölümde; metagenomik yaklaşımlar ile ilgili anahtar bir arka plan/alt yapı oluşturmak ve bu araçların çevre temizliği için nasıl kullanılabileceğininin iyi uygulama örnekleri vererek özetlenmesi hedeflenmektedir.

Biyoremediasyon, çeşitli kaynaklardan elde edilecek, organik bileşiklerin kimyasal yapısı ve reaktivitesi; proteinlerin dizisi, yapısı ve işlevi (enzimler); karşılaştırmalı genomikler; çevresel mikrobiyoloji vb, verilerin entegrasyonunu gerektirir.

Sistem Biyolojisi

Bioremediasyon süreci, çevresel kirleticileri temizlemek için mikrobiyal bir toplulukları kullanır. Kirleticinin detoksifikasyon oranları; doğal mikrobik topluluğun bileşimi, çevresel koşullar ve kirleticinin doğası gibi bir dizi faktöre bağlıdır. Bu nedenle, biyoremediasyonun optimizasyonu; karmaşık kirleticilerin davranışlarını anlamak ve tahmin etmek için karmaşık değişkenleri bir araya getirmeyi gerektirir. Sistem biyolojisi (sistematik özellikleri ve biyolojik sistemdeki dinamik etkileşimleri inceleyen bilim dalı) karmaşık biyolojik sistemleri ve çeşitli pertürbasyonlara nasıl tepki vereceğini anlamak için kullanılmaktadır Kısaca, sistem biyolojisi yaklaşımı, çevresel sistemler ve biyoremediasyonda; karmaşık çevresel mikrobiyal toplulukların ve kirleticilerin bozunması üzerindeki çevresel kısıtlamaların araştırılması için kullanılabilir.

Çeşitli hesaplama araçları kullanılarak olası bozunma yollarını tahmin etmek için in silico çalışmalara ihtiyaç vardır. Mikrobiyal biyoremediasyonun geliştirilmesi ve uygulanmasına yardımcı olmak için hesaplamaları yapmak üzere çok sayıda veri tabanı ve bilgisayar programı bulunmaktadır. Biyoloji ile ilgili, özellikle DNA, RNA ve protein dizileri biçimindeki devasa verilerin işlenmesi, bilgisayarlara ve bu alanda çalışan bilim adamlarına olan ihtiyacı artırmaktadır. Sistem biyolojisi; moleküler, hücresel, topluluk ve ekosistem düzeylerindeki etkileşimleri ve ağları inceleyerek karmaşık biyolojik sistemler için oluşturulmuş entegre bir araştırma yaklaşımıdır. Mikrobiyal fonksiyonu ve ilgili ekosistemlerdeki hayatta kalma stratejilerini anlamak, optimize etmek, tahmin etmek ve değerlendirmek için kilit süreçleri çözmek üzere kullanılmaktadır. Biyoremediasyonda sistem biyolojisi yaklaşımı kullanmak için mikrobiyal toplulukların normal davranışını değiştiren toksik kimyasalların varlığı nedeniyle karmaşıklaşan kompozisyonları, hücresel ve moleküler aktivitelerinin karakterizasyonu bilinmelidir.

Sistem biyolojisinin bazı önemli bileşenleri; sistemin pertürbasyona karşı verdiği tepkiyi tahmin etmek ve sistemin bütün düzeyleri ile ilişkili olan kirliliğin gidişatının anlaşılması ve tahmin edilebilmesi için kullanılacak hesaba dayalı yaklaşımlardır.

Biyoremediasyon sürecinin etkinliği için üç boyutun bulunduğu düşünülmektedir; kimyasal koşullar (besinler, elektron donörleri / alıcıları ve stresörleri) abiyotik koşullar ve katabolik koşullar, ki sadece katabolik koşullar gerçekten biyolojiktir. Kimyasal koşullar, söz konusu biyotik zeminde biyolojik müdahalelerle dinamik bir etkileşime sahiptir. Buna nem, iletkenlik, sıcaklık, matris koşulları, redoks durumu vb. dahildir.

Şekil 2. Sistem biyolojisi ve bioremediasyon arasındaki bağlantılar (Koehmel et al. 2016)

Şekil 2. Sistem biyolojisi ve bioremediasyon arasındaki bağlantılar (Koehmel et al. 2016)

Karmaşık in situ biyoremidasyon süreçlerinin anlaşılabilmesi için; envanter ve terminal elektron alıcıları ile elektron donörlerinin izlenmesi, ortamdaki fonksiyonel aktiviteyi ölçen enzim probları, fonksiyonel genomik mikrodiziler, filogenetik mikrodiziler, metabolomik, proteomik ve kantitatif PCR, prosesde yer alan temel mikrobiyal reaksiyonlarla ilgili çok önemli bilgiler sağlar (Şekil 3). Genel anlamda, ekosistem; topluluklar, popülasyonlar, hücreler, protein, RNA ve DNA'dan oluşur. Biyoremediasyonun hücreler üzerindeki etkilerini anlamak için hücresel seviyedeki DNA, RNA ve proteini ve yapı / fonksiyon ilişkilerindeki etkisini anlamak için de topluluk ve popülasyonları analiz edebiliriz (Şekil 3).

Şekil 3. Moleküllerden ekosisteme sistem biyolojisi

Şekil 3. Moleküllerden ekosisteme sistem biyolojisi

Bir biyolojik sistemin sistem düzeyinde anlaşılması, dört temel özelliğin anlaşılması ile mümkündür:

  1. Sistem yapıları. Sistem yapıları, gen etkileşimleri ve biyokimyasal yol ağlarını ve bu etkileşimlerin hücre içi ve çok hücreli yapıların fiziksel özelliklerini düzenlediği mekanizmaları içerir.
  2. Sistem dinamikleri. Bir sistemin çeşitli koşullar altında zaman içinde nasıl davrandığı; metabolik analiz, duyarlılık analizi, faz portresi ve bifurkasyon analizi gibi dinamik analiz yöntemleri ve spesifik davranışların altında yatan temel mekanizmaların belirlenmesi yoluyla anlaşılabilir. Bifurkasyon analizi, her bir boyutun ilgili biyokimyasal faktörün belirli bir konsantrasyonunu temsil ettiği çok boyutlu bir alanda, sistemin zamana bağlı değişimini izler.
  3. Kontrol metodu. Hücrenin durumunu sistematik olarak kontrol eden mekanizmalar, arızaları en aza indirmek ve hastalığın tedavisi için potansiyel terapötik hedefler sağlamak üzere düzenlenebilir.
  4. Tasarım metodu. İstenilen özelliklere sahip biyolojik sistemleri modifiye etmek ve yapılandırmak için stratejiler, kör deneme-yanılma yerine, kesin tasarım prensipleri ve simülasyonlarına dayanarak tasarlanır.

Yukarıdaki alanlardan herhangi birinde yer alan ilerlemeler, hesaplama bilimleri, genom ve ölçüm teknolojilerini anlamamız ve bu keşiflerin mevcut bilgilerle bütünleşmesi anlamında büyük atılımlar gerektirmektedir.

Omik yaklaşımlar, sistem biyolojisinin merkezi konumundadır. Metagenomik - mikrobiyal topluluğun toplam genomik içeriğinin analizi - çevre sistemlerinde mikrobiyal toplulukları anlamak için yaygın olarak uygulanmıştır (Şekil 4). Metatranskriptomik (topluluk RNA analizi) ve metaproteomikler (topluluk protein analizi) gibi diğer diğer teknikler ise daha yakın zamanlarda çevresel mikrobiyal topluluklara uygulanmıştır.

Mikrobiyal bir topluluğun farklı düzeylerini anlamak için çoklu yaklaşımlar uygulanabilir. Bu tekniklerin, çevredeki topluluklardan alınan herbir molekülün ayrıntılı analizi yoluyla, belirli bir biyolojik molekülü (DNA, RNA veya Protein) incelediği ve böylelikle bir topluluğun işlevsel potansiyelini ve topluluğun ya da genlerin ve proteinlerin taksonomik kompozisyonuna dair temel kavrayışları ortaya çıkarırdığı Techtman ve Hazen (2016) tarafından dile getirilmiştir.

Metagenomikler

Genomik, organizmanın tüm DNA dizisini bilmeye dayalı, bir organizmada tüm genlerin yapısını ve işlevini anlamak için kullanılan güçlü bir bilgisayar teknolojisidir. Organizmaların tüm DNA dizisini ve hassas ölçekli genetik haritalama çabalarını belirlemek oldukça zordur ve yoğun çalışmalar gerektirir. Metagenomik mikrobiyal topluluktaki genomların çalışmasıdır ve mikrobiyomu incelemek için ilk adımı oluşturur. Metagenomikler, bir mikrobiyal topluluğun bileşimini araştırmamızı sağlar. Genomik çalışmalar, belirli bir organizmanın genetik materyalini dikkate alırken, metagenomikler, tüm organizma topluluklarının genetik materyalleri üzerinde çalışır. Bu işlem genellikle DNA örnekleri alındıktan sonra yeni nesil dizilemeyi (sekanslama) (NGS) içerir. NGS, bir mikrobiyal topluluk profilinin veya diğer bilgilerin bir bulmacanın parçalarından bilgi toplamak gibi bir araya getirilebildiği kısa okumalar biçiminde büyük miktarda veri üretir. Bütün-metagenome dizileme (WMS), bir mikrobiyal topluluğun fonksiyonel profiline kısmi bir bakış açısı sağlasa da, mikrobik topluluğun tam (meta) transkriptomunu dizilemeyi içeren metatranscriptomikler kullanılarak daha iyi anlaşılmaktadır. Metagenomikler, mikrobiyal toplulukların işlevsel gen kompozisyonuna erişim sağlar ve bu nedenle, çoğunlukla bir genin çeşitliliğine, örneğin 16S rRNA genine dayanan filogenetik araştırmalardan çok daha geniş bir tanım sağlar. Metagenomik, kendiliğinden ortaya çıkan yeni biyokatalizörler veya enzimler, genetik olmayan organizmalar için filogenetik fonksiyon ve genetik bağlar ve topluluk işlev ve yapısının evrimsel profilleri hakkında genetik bilgi vermektedir. Ayrıca ifade edilen aktiviteleri tanımlamak için metatranscriptomik veya metaproteomik yaklaşımlar kullanılabilir. Metagenomik yeni mikrobik fonksiyon hipotezleri üretmek için güçlü bir araçtır; proteorhodopsin bazlı fotoheterotrofi veya amonyak-oksitleyici Archaea'nın bulguları bu gerçeği doğrulamaktadır. Yeni nesil dizilemedeki hızlı ve önemli maliyet azalması, diziye dayalı metagenomiklerin gelişimini önemli ölçüde hızlandırmıştır. Son birkaç yılda shotgun metagenom veri kümelerinin sayısı artmıştır. Gelecekte, metagenomikler, mikrobiyal topluluk profillerini tanımlamak için 16S rRNA gen parmak izi yöntemleri ile aynı şekilde kullanılacaktır. Bu nedenle, mikrobiyal ekoloji alanında çalışan birçok laboratuvar ve bilim adamı için standart bir araç haline gelecektir. Metagenomik yaklaşımlar genelde iki formdadır – hedeflenen metagenomikler ya da shotgun metagenomikler (Şekil 4). Hedeflenen metagenomiklerde (veya mikrobiyomiklerde), tek bir genin çeşitliliğinin, belirli bir genin belirli bir ortamda dizilerinin tamamlayıcısının tanımlaması incelenir. Hedeflenen metagenomikler çoğunlukla bir örnekte belirli bir genin filogenetik çeşitliliğini ve göreceli miktarını araştırmak için kullanılır. Bu yaklaşım, bir örnekte küçük alt birim rRNA dizilerinin (16S / 18S rRNA) çeşitliliğini araştırmak için düzenli olarak kullanılır. Mikrobiyal ekologlar, bir ortamın taksonomik çeşitliliğini anlamak için rutin olarak küçük altbirimli rRNA dizilimi kullanırlar. Ayrıca, çevresel kirleticilerin mikrobiyal topluluk yapısını değiştirmedeki etkisini araştırmak için bir araç olarak da uygulanabilir. Hedeflenen metagenomiklerin gerçekleştirilmesi için, çevresel DNA alınır ve ilgili gen, kendisi için dizilerin en büyük çeşitliliğini yükseltmek üzere tasarlanan primerler kullanılarak PCR amplifiye edilir. Hedeflenen metagenomiğin gücü, bir dizi örnekte bulunan mikrobiyal taksonun oldukça kapsamlı bir kataloğunu sağlaması ve mikrobiyal çeşitlilikteki kaymaların pertübasyon öncesi ve sonrasında derinlemesine karşılaştırılmasına olanak tanımasıdır.

Figure 4. Mikrobiyal kmünitelerin anlaşılmasında metagenomik yaklaşımlar

Figure 4. Mikrobiyal kmünitelerin anlaşılmasında metagenomik yaklaşımlar

Shotgun metagenomiklerinde, çevresel komünitenin toplam genomik tamamlayıcısı, genomik dizileme yoluyla incelenmektedir (Şekil 4). Bu yaklaşımda, çevresel komüniteden DNA alınır ve daha sonra dizileme(sekans) kütüphaneleri hazırlamak için parçalanır. Bu kütüphaneler daha sonra bu örneğin toplam genomik içeriğini belirlemek için sıralanır. Shotgun metagenomiği, mikrobiyal topluluğun işlevsel potansiyelinin tanımlanabileceği güçlü bir tekniktir. Shotgun metagenomikleri dizilimin derinliği ile sınırlanır. Ancak, mikroarray tabanlı teknikler geliştirilmiştir. PhyloChip ve GeoChip en yaygın kullanılan iki mikroarray teknolojisidir. PhyloChip, 147 phyla'da 10,993 alt ailenin çeşitliliğini araştırmak için 16S rRNA tabanlı bir mikrodizidir (Hazen ve ark. 2010). GeoChip, 410 gen kategorisinden 152,414 genin çeşitliliğini araştırabilen fonksiyonel bir gen mikrodizidir. Mikroarray teknikleri, mikrobiyal topluluğa kapsamlı bilgiler sağlamak için dizilimin derinliğine bağlı değildir. Aynı zamanda, çip üzerinde bulunan çeşitli takson / genler için gerçek/doğru bir açıklama sağlama avantajına sahiptir ve doğru sınıflandırmaya ulaşmak için veritabanında iyi homologlara duyulan gereksinimi azaltır. Ancak, mikrodizi temelli yaklaşımlar, sadece çip üzerindeki genlerin tespit edilebilmesi ve böylece bir örnekte yeni genlerin veya yolların keşfedilme potansiyelinin sınırlandırılması amacıyla kullanılabilirler. Mikro-dizi temelli yaklaşımlar, dizilim temelli yaklaşımların ek bir kanıt dizisi olarak yararlı bir tamamlayıcısıdır.

Metatranskriptomikler-metaproteomikler-metabolomikler

Proteomik yaklaşımlar kullanarak biyoremidasyon sürecinde bir organizmadaki fizyolojik değişimler, biyoremidasyonla ilişkili genler ve bunların regülasyonu hakkında daha fazla bilgi sağlamak mümkündür. Metatranskriptomikler ve metaproteomikler giderek artan oranda çevresel sistemlere uygulanmaktadır (Şekil 4). Bu yaklaşımlar, mikrobiyal bir toplulukta aktif olarak ifade edilen genlere önemli bilgiler sağlar ve bu nedenle, örnekleme zamanındaki koşullar altında ifade edilen mikrobiyal fonksiyonlar için çok iyi göstergelerdir. Metaproteomikler, nükleik asit dizilemeyi içermez, proteinlerin enzimatik sindirimleri ve sıvı kromatografisiyle birleştirilen yüksek çözünürlüklü kütle spektrometresidir. Metaproteomikler, proteinlerin aktivitelerini etkileyebilecek post translasyonel modifikasyonları içeren çevresel örnekte bulunan proteinlerin tamamlayıcısı hakkında bilgi sağlar. Mikrobiyal topluluğun tamamı tarafından hangi genlerin ifade edildiğine odaklanarak, metatranskriptomikler mikrobiyal bir topluluğun aktif fonksiyonel profiline ışık tutmaktadır. Metatranskriptom, belirli bir anda belirli bir örnekte gen ifadesinin (ekspresyonunun) bir anlık görüntüsünü ve toplam mRNA'yı yakalayarak spesifik koşullar altında bir anlık görüntü sağlar. Metagenomiklere gelince, artık tüm metatranskriptomikler ile shotgun dizileme yapmak mümkündür. Bu (meta) genom ölçeğindeki çalışma, mikrobiyomun ekspresyonunu ve fonksiyonel profilini sağlar. Okumaları işlerken, tipik bir metatranskriptomik analiz ya (1) referans genom için haritaları okur ya da (2) okumaların transkript contigs ve supercontigs'e dönüştürülmesini gerçekleştirir. İlk strateji, WMS'deki hizalamaya dayalı yöntemlere benzer bir şekilde referans veri tabanlarını içeren haritaları okur, böylece spesifik genlerin ilgili ifade ediliş şeklini bulmak için bilgi toplar. İkinci strateji aynıdır fakat birleştirilmiş dizilerle çalışır. İlk strateji, referans genomların veritabanındaki bilgilerle sınırlıdır. İkinci strateji ise yazılım programlarının contigs ve supercontigs'ı, kısa okuma verileri, araç ve tekniklerden doğru bir şekilde bir araya getirme yeteneği ile sınırlıdır. Metatranskriptomiklerin mikrobiyom çalışmasına uygulanması, diğer omiklere göre çok daha az yaygındır. Literatürde tanımlanan çoğu analiz ad hoc olarak inşa edilmiştir. Bu yöntemlerin çoğunluğu, okuma haritalamasına dayanarak yukarıda bahsedilen ilk stratejiye göre yapılır. Metabolomik, bir numunenin tüm metabolitlerinin (organizma tarafından hemen çevreye salınan küçük moleküller) tanımlandığı ve nicelleştirildiği kapsamlı bir analizdir. Metabolom, bir ortamın sağlığının veya homeostazdaki değişikliklerin (yani, dysbiosis) en doğrudan göstergesi olarak kabul edilir. İmza metabolitlerinin üretimindeki değişim, metabolik yolların aktivitesindeki değişikliklerle ilişkilidir ve bu nedenle metabolomik, yol analizi için uygulanabilir bir yaklaşımı temsil eder.

Metabolomik uygulamalar, ilaç araştırmaları ve farmakogenomikler için (özellikle kişiselleştirilmiş ilaç çalışmaları) umut vaad eden bir alandır. Mikrobiyomla ilişkili metabolomik profil, çevresel etkenlere (örneğin diyet, ksenobiyotiklere maruz kalma ve çevresel stresörlere) güçlü bir bağımlılık gösterebilir, sadece mikrobiyomun özellikleri hakkında değil aynı zamanda mikrobiyal toplumun etkileşimleri hakkında ana bilgisayar ortamı ile değerli bilgiler sağlar. Bu nedenle, metabolomikler, mikrobiyomun besin elementlerinin ve kirletici maddelerin transformasyonundaki rolünü ve konak ortamın homeostazını etkileyebilecek diğer abiyotik faktörler hakkındaki bilgilieirmizi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Spektral metabolik verilerin analizi için 3 adım vardır: (1) ön işleme, (2) istatistiksel analiz ve (3) desen tanıma için makine öğrenme teknikleri. İlk adımda, elemek ve seçmek, işlenecek verinin kalitesini arttırır.

Moleküler ve x-omik verileri yorumlamak veya ilişkilendirmek için in silico yazılımları, kanalllar (pipelines), web kaynakları ve algoritmalar geliştirilmiştir. Bununla birlikte, biyoremediasyonda kullanılan biyoinformatik kaynaklar hala yetersizdir. Minnesota Üniversitesi Biyokataliz / Biyolojik Bozunma Veri Tabanı (UMBBD), mikrobiyal biyoremediasyonu kapsayan 200 yol, 1350 reaksiyon, 1195 bileşik,> 1000 enzim, 491 mikroorganizma girişi ve 259 biyotransformasyon kuralı yazmıştır. (http://umbbd.msi.umn.edu/) (Gao ve ark. 2011). Metarouter, sorgu modifikasyonlarının güncellenmesine izin veren bir çerçevede geliştirilmiş, biyoremediasyon ve biyodegradasyon ile ilgili heterojen bilgilerin işlenmesi için kullanılan başka bir sistemdir (Desai et al. 2010). Sisteme bir web arayüzü üzerinden erişilebilir ve yönetilebilir (Pazos ve ark. 2005). Diğer yazılım platformları: http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg.html adresindeki Kyoto Genleri ve Genomlar Ansiklopedisi (KEGG). (Moriya ve diğerleri, 2010); ExPASy sunucusundaki Boehringer Mannhein Biyokimyasal Yolları (BMBP), İsviçre (http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index); Uluslararası Ksenobiyotik Çalışması Derneği (http://www.issx.org); PathDB; NCGR'de (http://www.ncgr.org/Pathdb/) Metabolik Yol Veri Tabanı, vb dir.

Mevcut hesaplama veritabanları, yazılımlar ve araçlar ve bunların entegrasyonu, herhangi bir bileşiğin çevresel etkilerini daha kesin ve doğru bir şekilde belirlemeye yardımcı olacaktır.

Pratik Uygulamalar

Radyonüklidlerin Biyotransformasyonu

Oak Ridge de yer alan, 3 FRC bölgesinde toprak ve yeraltı suları sadece Uranium (200 mM e kadar) kirliliğine maruz kalmamış; aynı zamanda klorlu organik bileşiklerin mevcudiyeti nedeniyle; düşük pH (3), yüksek nitrat (200mM) ve yüksek kalsiyum konsantrasyonlarından dolayı biyoremediasyon problemi de yaşanmaktadır. Bu alanda çeşitli araştırmacılar tarafından yapılan araştırmalar, yüzey altı mikrobiyolojinin daha iyi anlaşılmasını sağlamak için sistem biyolojisi araçlarının başarılı bir şekilde uygulanmasını örneklemektedir. Önceki analizlerde, bu alanda in situ biyostimülasyon testi sırasında 16S klon kütüphane tabanlı topluluk analizi ile Desulfovibrio, Geobacter, Anaeromyxobacter, Desulfosporosinus, Acidovorax ve Geothrix spp. U (VI) indirgenmesi ile birlikte ortaya çıkmıştır. (Cardenas ve ark. 2008). DsrAB, nirK, nirS, amoA ve pmoA gibi fonksiyonel gen göstergelerinin klon kütüphaneleri fonksiyonel genlerde yüksek mikrobiyal çeşitlilik göstermiştir. Ancak, FW106 kuyusundan elde edilen son metagenomik analizler, özellikle rastgele bir shotgun dizileme stratejisi ile, denitrifize b-Proteobacteria ve g-Proteobacterianın hakim olduğu oldukça zengin bir komünite ortaya çıkmıştır. Birçok yeraltı suyu izleme kuyusunun Geo-Chip analizi ile dsrAB genlerinin yaygın çeşitliliği tesbit edilmiştir, bu da sülfat indirgeyen bakterilerin U (VI) indirgemesinde anahtar oyuncular olduğunu göstermiştir.

FRC'den alınan numunelerle çökeltme kolonunda çalışılan U (VI) reoksidasyon fazı sırasında, biyokütle miktarında azalma, mikrobiyal aktivitede artış gözlenmiştir. PhyloChip kullanarak yapılan çalışma da, reoksidasyon fazında Geobacter or Geothrix spp. de düşüş olmadığı fakat Actinobacteria, Firmicutes, Acidobacteria, ve Desulfovibrionaceae da bolca artış olduğu bulunmuştur. Yine saha örneklerinde GeoChip analizi ile reoksidasyon safhasında dsr genlerinde bir düşüş görülmüş, ancak reoksidasyonun mikrobiyal komünitenin post oksidasyon fazında U (VI) 'yi düzeltebildiğini ve azalttığını düşündüren mikrobik fonksiyonel çeşitliliği etkilemediği gözlenmiştir.

Metallerin Biyoimmobilizasyonu

Washington'daki Columbia Nehri yakınlarındaki Hanford 100H bölgesi, silah üretim bölgesi olması nedeniyle Krom (Cr) ile kirlenmiştir. 2004 yılında, yerli mikrobiyel faunayı stimule ederek, Cr (VI) in situ sürekli biyo-mobilizasyonunu sağlamak amacı ile, Hidrojen Salımı Bileşiği (HRCtm) enjekte edilmiştir. Hubbard ve diğ. (2008) enjekte edilmiş HRC'nin zaman-mekan dağılımını belirlemek için hızlandırılmış sismik ve radar tomografik jeofizik izlemeyi ve HRC'nin Cr (VI) bioremidasyonu sonrası enjeksiyonla ilişkili biyojeokimyasal dönüşümleri kullanmışlardır. Doğrudan hücre sayımlarında; hücre sayısı 108 hücre / ml'ye ulaşırken, Cr (VI) seviyelerinin 100 ppb'den bir yıl içinde normal (background) seviyelerinin altına düştüğünü ortaya çıkarmıştır. PhyloChip analizi, bu süre zarfında nitrat redüktörleri, demir redüktörleri ve metanojen popülasyonları ile birlikte sülfat indirgeyicilerin zenginleştirildiğini göstermiştir. Hedeflenen zenginleştirmeler, tümü Cr (VI) indirgeme yeteneğine sahip RCH1, nitrat indirgeme suşu Pseudomonas stutzeri suşu RCH2 ve demir indirgeme suşu Geobacter metallireducens suşu RCH3 gibi sülfat indirgeyen Desulfovibrio vulgaris izolasyonu ile sonuçlanmıştır. mFlowFISH (entegre floresan in situ hibridizasyon ve akış sitometrisi) analizi, 2009 ve 2010 yıllarında toplanan Hanford 100H alan su örneklerinden doğrudan RCH2'ye benzer Pseudomonad'ları saptayabilmiş ve sıralayabilmiştir.

Hidrokarbon Biyoremediasyonu

Petrol bazlı enerji kaynakları, endüstriyel gelişme ve refah seviyelerini artırmıştır. Fakat aynı zamanda hidrokarbonların farklı ortamlara dağılmasını da beraberinde getirmiştir. Neyse ki, hidrokarbonların organik yapısı mikroorganizmaların bu petrol bileşiklerini substrat (besin) olarak metabolize etmesi için uygundur. Bu konuya ilişkin; biyoremediasyona yönelik sistem biyolojisi yaklaşımı üzerine kayda değer çalışmalar Atlas ve Hazen (2011), Harayama ve ark. (2004), Zhou ve diğ. (2011), Fredrickson ve diğ. (2008), de Lorenzo (2008) ve Chakraborty ve ark. (2012) tarafından gerçekleştirilmiştir. ‘010 da meydana gelen Meksika Körfezi'ndeki i MC252 petrol sızıntısı, ABD tarihindeki en büyük petrol kirliliğidir. Hidrokarbon bileşimi, çevresel değişkenler, dökülen petrolün yayılma alanı ve derinliği ve sistem biyolojisi araçlarının mevcudiyeti de dahil olmak üzere, bir çok çevresel faktör, bu kazayı öncekilerden farklı kılmıştır. Kimyasal analizler, MC252 sızıntısındaki petrolün biyoremediasyonu için sistem biyolojisi yaklaşımını desteklemede çok önemlidir. Camilli ve ark. (2010), dipteki petrol bulutunda mikrobiyal solunum oranlarının; çözünmüş oksijen konsantrasyonuna, mikrobiyal solunum hızlarının ölçülmesine, enzim aktivitesine, fosfat konsantrasyonuna ve petrol sızıntısından etkilenen yüzey suyundaki polar membran lipit konsantrasyonuna bağlı olarak son derece düşük olduğu sonucuna varmışlardır. Edwards ve diğ. (2011), petrol tabakasında enzim aktivitelerinin ve solunum oranlarının daha yüksek olduğu sonucuna varmışlardır. Valentine ve diğ. (2010), hidrokarbon bulutunun metan, propan ve etan gazlarının durumunu 799 m'den daha derinlerde araştırmış ve propan ve etanın metanole göre daha hızlı parçalandığını bulmuştur.13C-labled substratlar, ayrıca 13C ve 3H izleyiciler d13C-DIC'yi ölçmek için kullanılmıştır. Başka bir çalışmada ise, MC252 sızıntısı sırasında en çok açığa çıkan hidrokarbonun metan olduğu ve serbest bırakılan metanı hızlı bir şekilde yeniden ölçen metanotropik bakterilerin buna hızlı bir şekilde tepki verdiği bulunmuştur. PhyloChip, klon kütüphanesi, GeoChip, fosfolipid yağ asidi (PLFA) ve izotop kimyası, petrol sızıntısı bulutu içinde ve dışında mikrobiyal toplulukları karşılaştırmak için kullanılmıştır (Hazen ve ark. 2010). Sonuçlar, su içinde 58 ° C'de hidrokarbonları Oceanospirillales'ın bozduğunu göstermiştir. GeoChip, phdC1 (naftalen degradasyonu) ve alkB (alkanların oksidasyonu) gibi yağ kontaminantlarının konsantrasyonu ile derin petrol bulutu örneklerinde C, N, P, S döngü süreçlerindeki kaymalar arasında kuvvetli bir ilişki olduğunu göstermiştir. Federal kurumların ve bekleyen davaların da süreçte yer alması, toplanan tüm verilerin derlenmesi için ve araştırmacılar için faydalı kapsamlı bir veri tabanının oluşturulması için faydalıdır. Sistem biyolojisi yaklaşımını kullanan çalışmaların kimyasal analizlerle entegrasyonu ile hidrokarbon bozunmasında yer alan kimyasal ve biyolojik reaksiyonların gerçek zamanlı olarak anlaşılması mümkündür. Mikrobiyolojik süreçlerin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılabilmesi için, transkriptomik çalışmalardan elde edilen veriler, kültive edilebilir dominant mikropların in situ aktif maddeler olup olmadığı hakkında bilgi sağlayacaktır ve proteomik çalışmalar hidrokarbon bozunmasının merkezindeki enzimleri tanımlayacaktır.

Klorlu solventler ile biyoremediasyon

TCE ve dikloroeten (DCE) gibi klorlu çözücüler, serbest bırakıldıktan sonra ortamda kalan, karışmayan kanserojen bileşiklerdir. Dehalococcoides gibi mikroplar, klorlu çözücüleri elektron alıcıları olarak anaerobik koşullarda kullanabilir ve bileşikleri etilen olarak dekontamine edebilirler. Başka bir biyolojik bozunma yolu da, klorlu bileşiklerin, metan monoksijenazlar (MMO'lar) ile metan-oksitleyiciler gibi mikroplarla karbon dioksite ve klorüre aerobik kometabolizma ile remediasyonudur. Çeşitli derleme makalelerinde, kitle kaybını, jeokimyasal parmak izlerini, biyobozunma ile ilişkili izotop fraksiyonasyonunu, biyostimülasyonda mikrobiyal toplulukları ve doğal zayıflama çalışmalarını izleyen tekniklerin tanımları, indirgeyici dehalojenaz genlerini hedefleyen kantitatif gerçek zamanlı PCR yöntemleri yer almaktadır. 1955-1972 yılları arasında, Idaho Ulusal Laboratuvarı'ndaki Kuzey Test Alanınde (TAN) 95 m derinliğindeki bir kuyudaki akifere düşük seviyeli radyoaktif izotoplar, kanalizasyon suları ve klorlu çözücüler enjekte edilmiştir. Bu enjeksiyon bulutu, 2 km lik bir mesafeye kadar uzanan, 5 ppb den 300 ppm'ye kadar değişen TCE konsantrasyonları konsantrasyonları içeriyordu. 1999 yılında, klorlu çözücülerle kirlenmiş yeraltı suyunu temizlemek üzere, in situ deklorinizasyonu stimule etmek için elektron verici Lactat (laktik asit tuzu) enjekte edilerek, pilot bir in situ biyoremediasyon çalışması başlatılmıştır. Sondaj ve yeraltı suyu örneklerinde mikrobiyal komünitelerin karşılaştırılması, Biolog GN mikroplakaları kullanılarak toplam biyokütle, PLFA analizi, kültürleme ve komünite düzeyindeki fizyolojik profillemenin (CLPP) karakterizasyonuyla değerlendirilmiştir (Lehman ve ark. 2004). DGGE analizi yüksek konsantrasyonlarda klorlu çözücüleri içeren kuyularda, minimum konsantrasyonlarda kontaminant içeren kuyulardan farklı farklı mikrobiyal komüniteler olduğunu; serbest yaşayan mikropların farklı fonksiyonel ve bileşim profillerine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, Dehalococcoides sp. 16S rRNA genleri, klon sekanslama ile terminal restriksiyon fragman uzunluk polimorfizmi (T-RFLP) ve RFLP analizi ile komünite analizi ile karşılaştırıldığında bir komünitenin deklorinasyon potansiyelini ölçmede en tatmin edici sonucu sağlamıştır. Erwin ve diğ. (2005), bir fonksiyon gen fragmanı kütüphanesi ve dizileme oluşturmak için PCR amplifikasyonu kullanarak, bozulmamış bir alandan, TAN'da MMO'ları barındıran bakterilerin ve TCE ko-metabolizmasının potansiyelini göstermişlerdir. 2000 yılında alınan yeraltı suyu örneklerinin kararlı karbon izotop oranları, TCE'nin etene dönüşümünü ve t-DCE'nin minimal biyodegradasyonunu doğrulamıştır (Song ve ark. 2002). Bakteriyel kompozisyon karakterizasyonu için PhyloChip kullanımı ile; indirgeyici deklorinizasyon yapan organizmalarda bir azalma ve TCE'nin aerobik ko-metabolizmasını yapabilen metan-oksitleyici mikroplarda bir artış gözlenmiştir. TAN sahasındaki araştırmayı tamamlayacak ilave çalışmalar da, Werner ve arkadaşları tarafından belirtildiği üzere bir shotgun proteomik yaklaşımı kullanılacaktır (2009). Bu yöntemleri, FrigA, TceA, PceA ve HupL gibi, klorlanmış eten dehalorespirasyonun biyoindikatörleri olarak kullanılabilecek peptidlerin saptanmasına olanak tanıyacaktır.

Kaynaklar

  • 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.