Микробное биоразложение - Microbial biodegradation

Микробное биоразложение это использование биоремедиация и биотрансформация методы использования естественной способности микробных метаболизм ксенобиотиков разлагать, преобразовывать или накапливать загрязнители окружающей среды, в том числе углеводороды (например, масло), полихлорированные бифенилы (Печатные платы), полиароматические углеводороды (ПАУ), гетероциклические соединения (Такие как пиридин или же хинолин ), фармацевтические субстанции, радионуклиды и металлы.

Интерес к микробной биодеградации загрязняющие вещества усилилась в последние годы,^[1][2] а недавние крупные методологические прорывы позволили провести подробный геномный, метагеномный, протеомный, биоинформатический и другой высокопроизводительный анализ экологически значимых микроорганизмы, открывая новые возможности для понимания биоразлагаемых путей и способности организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Биологические процессы играют важную роль в удалении загрязняющие вещества и использовать катаболическую универсальность микроорганизмов для разложения или преобразования таких соединений. В экологических микробиология, геном Глобальные исследования, основанные на глобальных исследованиях, расширяют понимание метаболических и регуляторных сетей, а также предоставляют новую информацию об эволюции путей деградации и стратегиях молекулярной адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

Аэробное биоразложение загрязняющих веществ

Растущее количество данных о геноме бактерий открывает новые возможности для понимания генетических и молекулярных основ деградации органических загрязняющие вещества. Ароматические соединения являются одними из самых стойких из этих загрязнителей, и уроки можно извлечь из недавних геномных исследований Burkholderia xenovorans LB400 и Родококк sp. штамм RHA1, два крупнейших бактериальных генома, полностью секвенированных на сегодняшний день. Эти исследования помогли расширить наше понимание бактериального катаболизм, некатаболическая физиологическая адаптация к органические соединения, и эволюция крупных бактериальных геномы. Во-первых, метаболические пути из разнородных филогенетически изолятов очень похожи в отношении общей организации. Таким образом, как первоначально отмечалось в псевдомонады, большое количество "периферических ароматических" путей направляют ряд природных и ксенобиотик соединяется в ограниченное количество «центральных ароматических» путей. Тем не менее, эти пути генетически организованы по типу специфичного для рода, как это продемонстрировано путями b-ketoadipate и Paa. Сравнительные геномные исследования далее показывают, что некоторые пути более распространены, чем первоначально предполагалось. Таким образом, пути Box и Paa иллюстрируют преобладание стратегий неоксигенолитического расщепления кольца в процессах аэробной деградации ароматических соединений. Функциональные геномные исследования были полезны для установления того, что даже организмы, несущие большое количество гомологичные ферменты похоже, содержат несколько примеров истинной избыточности. Например, множественность расщепляющих кольцо диоксигеназ в некоторых изолятах родококков может быть объяснена скрытым ароматическим катаболизмом различных терпеноидов и стероидов. Наконец, анализ показал, что недавний генетический поток, по-видимому, сыграл более значительную роль в эволюции некоторых крупных геномов, таких как LB400, чем других. Однако наметившаяся тенденция заключается в том, что обширный репертуар генов сильнодействующих разложителей загрязнителей, таких как LB400 и RHA1, эволюционировал в основном посредством более древних процессов. То, что это верно для таких филогенетически разнообразных видов, примечательно и дополнительно предполагает древнее происхождение этой катаболической способности.^[3]

Анаэробное биоразложение загрязняющих веществ

Анаэробный микробный минерализация устойчивых органических загрязняющие вещества имеет большое значение для окружающей среды и включает новые интригующие биохимические реакции.^[4] Особенно, углеводороды и галогенированные соединения долгое время подвергались разложению в отсутствие кислорода, но выделение до сих пор неизвестных анаэробных углеводородов, разлагающих и восстанавливающих дегалогенирование бактерии последние десятилетия предоставили окончательное доказательство существования этих процессов в природе. Хотя в подобных исследованиях участвовали в основном хлорированный соединений изначально, недавние исследования показали восстановительное дегалогенирование бром и йод фрагменты в ароматических пестицидах.^[5] Другие реакции, например, биологически индуцированные абиотический уменьшение минералами почвы,^[6] Было показано, что дезактивирует относительно стойкие гербициды на основе анилина гораздо быстрее, чем это наблюдается в аэробных средах. Было обнаружено множество новых биохимических реакций, активирующих соответствующие метаболические пути, но прогресс в молекулярном понимании этих бактерий был довольно медленным, поскольку генетические системы не всегда применимы для большинства из них. Однако с ростом применения геномика в области экологическая микробиология, теперь открыта новая и многообещающая перспектива для молекулярного понимания этих новых метаболических свойств. За последние несколько лет было определено несколько полных геномных последовательностей бактерий, способных к анаэробной деградации органических загрязнителей. Размер ~ 4.7 Мб геном факультативной денитрификации Aromatoleum aromaticum штамм EbN1 был первым, который был определен для анаэробного разложения углеводородов (с использованием толуол или же этилбензол в качестве субстраты ). В последовательность генома выявлено около двух десятков кластеры генов (включая несколько паралоги ) кодирование сложной катаболической сети для анаэробного и аэробного разложения ароматических соединений. Последовательность генома составляет основу текущих подробных исследований регуляции путей и фермент конструкции. Дальнейшие геномы анаэробных бактерий, разлагающих углеводороды, были недавно завершены для видов, восстанавливающих железо. Geobacter Metallireducens (инвентарный номер NC_007517) и восстанавливающий перхлорат Dechloromonas aromatica (номер доступа NC_007298), но они еще не оценены в официальных публикациях. Полные геномы были также определены для бактерий, способных к анаэробной деградации галогенированных углеводородов путем нимб: геномы ~ 1,4 Мб Dehalococcoides ethenogenes штамм 195 и Dehalococcoides sp. штамм CBDB1 и геном ~ 5,7 МБ Desulfitobacterium hafniense штамм Y51. Для всех этих бактерий характерно наличие множества генов-паралогов редуктивных дегалогеназ, что подразумевает более широкий спектр дегалогенирующих организмов, чем это было известно ранее. Более того, последовательности генома предоставили беспрецедентное понимание эволюции восстановительного дегалогенирования и различные стратегии адаптации ниши.^[7]

В последнее время стало очевидно, что некоторые организмы, в том числе Desulfitobacterium chlororespirans, первоначально оцениваемый на предмет галогенодыхания на хлорфенолах, также может использовать некоторые бромированные соединения, такие как гербицид бромоксинил и его основной метаболит как акцепторы электронов для роста. Йодированные соединения также могут быть дегалогенированы, хотя этот процесс может не удовлетворять потребность в акцепторе электронов.^[5]

Биодоступность, хемотаксис и перенос загрязнителей

Биодоступность, или количество вещества, которое физиохимически доступно для микроорганизмы ключевой фактор в эффективном биоразложение загрязняющих веществ. О'Лафлин и другие. (2000)^[8] показал, что, за исключением каолинит глина, большинство почвенных глин и катионообменные смолы снижали биоразложение 2-пиколин к Артробактер sp. штамм R1 в результате адсорбции субстрата на глины. Хемотаксис, или направленное движение подвижных организмов к химическим веществам в окружающей среде или от них, является важной физиологической реакцией, которая может способствовать эффективному катаболизму молекул в окружающей среде. Кроме того, важны механизмы внутриклеточного накопления ароматических молекул с помощью различных транспортных механизмов.^[9]

Биоразложение масла

Общий обзор микробной биодеградации нефтяного масла микробными сообществами. Некоторые микроорганизмы, такие как A. borkumensis, могут использовать углеводороды в качестве источника углерода в обмене веществ. Они способны окислять экологически вредные углеводороды, производя безвредные продукты, в соответствии с общим уравнением C_пЧАС_п + O₂ → H₂O + CO₂. На рисунке углерод представлен желтыми кружками, кислород - розовыми кружками и водород - синими кружками. Этот тип особого метаболизма позволяет этим микробам процветать в районах, пострадавших от разливов нефти, и играет важную роль в устранении загрязнителей окружающей среды.

Нефть масло содержит ароматические соединения, токсичные для большинства форм жизни. Эпизодические и хронические загрязнение загрязнения окружающей среды нефтью наносит серьезный ущерб местной экологической среде. В частности, особенно уязвима морская среда, поскольку разливы нефти вблизи прибрежных районов и в открытом море трудно локализовать, что усложняет меры по смягчению последствий. Помимо загрязнения в результате деятельности человека, около 250 миллионов литров нефти ежегодно попадает в морскую среду из естественных источников.^[10] Несмотря на свою токсичность, значительная часть нефтяного масла, попадающего в морские системы, удаляется за счет разрушающей углеводороды деятельности микробных сообществ, в частности, недавно обнаруженной группой специалистов - углеводородокластических бактерий (ГХБ).^[11] Alcanivorax borkumensis был первым ГХБ, геном которого был секвенирован.^[12] Помимо углеводородов, сырая нефть часто содержит различные гетероциклические соединения, такие как пиридин, которые, по-видимому, разлагаются схожими механизмами с углеводородами.^[13]

Биодеградация холестерина

Многие синтетические стероидные соединения, такие как некоторые половые гормоны, часто появляются в городских и промышленных сточных водах, действуя как загрязнители окружающей среды с сильной метаболической активностью, негативно влияющей на экосистемы. Поскольку эти соединения являются обычными источниками углерода для многих различных микроорганизмов, их аэробная и анаэробная минерализация была тщательно изучена. Интерес этих исследований связан с биотехнологическим применением ферментов, преобразующих стерол, для промышленного синтеза половых гормонов и кортикоидов. Совсем недавно катаболизм холестерина приобрел большое значение, поскольку он участвует в инфекционности патогена. Микобактерии туберкулеза (Mtb).^[1][14] Mtb причины туберкулез болезнь, и было продемонстрировано, что новая ферментная архитектура эволюционировала для связывания и модификации стероидных соединений, таких как холестерин, в этом организме, а также других стероид-утилизирующих бактериях.^[15][16] Эти новые ферменты могут быть интересны своим потенциалом в химической модификации стероидных субстратов.

Анализ биообработки отходов

Устойчивое развитие требует поощрения рационального использования окружающей среды и постоянного поиска новых технологий для обработки огромного количества отходов, образующихся за счет увеличения антропогенный виды деятельности. Биообработка, обработка отходов с использованием живых организмов, является экологически чистой, относительно простой и рентабельной альтернативой физико-химической очистке. Замкнутые среды, такие как биореакторы, были разработаны для преодоления физических, химических и биологических ограничивающих факторов процессов биологической обработки в строго контролируемых системах. Большая универсальность конструкции замкнутых пространств позволяет обрабатывать широкий спектр отходов в оптимальных условиях. Для правильной оценки необходимо учитывать различные микроорганизмы, имеющие различные геномы и экспрессировали транскрипты и белки. Часто требуется большое количество анализов. Такие оценки с использованием традиционных геномных методов ограничены и требуют много времени. Однако несколько высокопроизводительных методов, первоначально разработанных для медицинских исследований, могут применяться для оценки биологической обработки в замкнутых условиях.^[17]

Метаболическая инженерия и биокаталитические приложения

Изучение судьбы стойких органических химикатов в окружающей среде выявило большой резервуар ферментативных реакций с большим потенциалом в препаративном органическом синтезе, который уже использовался для ряда исследований. оксигеназы в пилотных и даже промышленных масштабах. Новые катализаторы можно получить из метагеномный библиотеки и Последовательность ДНК основанные подходы. Наши растущие возможности в адаптации катализаторов к конкретным реакциям и технологическим требованиям рациональным и случайным образом. мутагенез расширяет сферу применения в тонкой химической промышленности, а также в области биоразложение. Во многих случаях эти катализаторы необходимо использовать во всей клетке. биоконверсии или в ферментации, призывая к общесистемным подходам к пониманию физиологии и метаболизма штаммов, а также к рациональным подходам к конструированию целых клеток, поскольку они все чаще применяются в области систем биотехнология и синтетическая биология.^[18]

Грибковое биоразложение

В экосистеме разные субстраты с разной скоростью атакуются консорциумами организмов из разных царств. Аспергиллы и другие формы играют важную роль в этих консорциумах, потому что они умеют перерабатывать крахмалы, гемицеллюлозы, целлюлозы, пектины и другие сахарные полимеры. Некоторые аспергиллы способны разлагать более тугоплавкие соединения, такие как жиры, масла, хитин и кератин. Максимальное разложение происходит при наличии достаточного количества азота, фосфора и других важных неорганических питательных веществ. Грибы также служат пищей для многих почвенных организмов.^[19]

За Аспергиллы процесс разложения - это средство получения питательных веществ. Когда эти формы разрушают искусственные субстраты, этот процесс обычно называют биоразрушением. Как бумага, так и текстиль (хлопок, джут и лен) особенно уязвимы для Аспергиллы деградация. Наше художественное наследие также подлежит Аспергиллы атаковать. Приведу лишь один пример: после наводнения во Флоренции в Италии в 1969 году 74% изолятов поврежденной фрески Гирландайо в церкви Огниссанти были Aspergillus versicolor.^[20]

Смотрите также

• Биоразложение
• Биоремедиация
• Биотрансформация
• Биодоступность
• Хемотаксис
• Микробиология
• Экологическая микробиология
• Промышленная микробиология

Рекомендации

1. Куккоу, Анна-Ирини, изд. (2011). Микробная биоремедиация неметаллов: текущие исследования. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-83-7.
2. Диас, Эдуардо, изд. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
3. Маклеод МП, Элтис Л.Д. (2008). «Геномное понимание аэробных путей деградации органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
4. Югдер, Бат-Эрдене; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мэнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (2015). «Восстановительные дегалогеназы достигают зрелости при биологическом разрушении галогенидов». Тенденции в биотехнологии. 33 (10): 595–610. Дои:10.1016 / j.tibtech.2015.07.004. ISSN  0167-7799. PMID  26409778.
5. Купплс, А. М., Р. А. Сэнфорд и Г. К. Симс. 2005. Дегалогенирование бромоксинила (3,5-дибром-4-гидроксибензонитрила) и иоксинила (3,5-дийодино-4-гидроксибензонитрила) с помощью Desulfitobacterium chlororespirans. Appl. Env. Микро. 71 (7): 3741-3746.
6. Тор, Дж., К. Сюй, Дж. М. Штуки, М. Вандер, Г. К. Симс. 2000. Разложение трифлуралина в микробиологически индуцированных условиях восстановления нитратов и Fe (III). Env. Sci. Tech. 34: 3148-3152.
7. Хейдер Дж., Рабус Р. (2008). «Геномные идеи в анаэробной биодеградации органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
8. О'Лафлин, Э. Дж; Traina, S.J .; Симс, Г. К. (2000). «Влияние сорбции на биодеградацию 2-метилпиридина в водных суспензиях эталонных глинистых минералов». Environ. Toxicol. Chem. 19 (9): 2168–2174. Дои:10.1002 / и др. 5620190904.
9. Parales RE, et al. (2008). «Биодоступность, хемотаксис и перенос органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
10. И. Р. Макдональд (2002). «Перенос углеводородов из естественных просачиваний в толщу воды и атмосферу» (PDF). Геофлюиды. 2 (2): 95–107. Дои:10.1046 / j.1468-8123.2002.00023.x. Архивировано из оригинал (PDF) на 08.08.2010.
11. Якимов М.М., Тиммис К.Н., Голышин П.Н. (июнь 2007 г.). «Облигатные морские бактерии, разлагающие нефть». Curr. Мнение. Биотехнология. 18 (3): 257–66. CiteSeerX  10.1.1.475.3300. Дои:10.1016 / j.copbio.2007.04.006. PMID  17493798.
12. Мартинс душ Сантуш В.А. и др. (2008). «Геномные взгляды на биоразложение нефти в морских системах». В Díaz E (ред.). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
13. Симс, Г. К. и Э. Дж. О'Лафлин. 1989. Разложение пиридинов в окружающей среде. CRC Critical Reviews в области экологического контроля. 19 (4): 309-340.
14. Wipperman, Matthew, F .; Sampson, Nicole, S .; Томас, Сюзанна, Т. (2014). «Возбудитель гнева: использование холестерина Mycobacterium tuberculosis». Crit Rev Biochem Mol Biol. 49 (4): 269–93. Дои:10.3109/10409238.2014.895700. ЧВК  4255906. PMID  24611808.
15. Thomas, S.T .; Сампсон, Н. (2013). «Mycobacterium tuberculosis использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина». Биохимия. 52 (17): 2895–2904. Дои:10.1021 / bi4002979. ЧВК  3726044. PMID  23560677.
16. Wipperman, M.F .; Ян, М .; Thomas, S.T .; Сампсон, Н. (2013). "Уменьшение протеома FadE Микобактерии туберкулеза: Понимание метаболизма холестерина посредством определения α₂β₂ Семейство гетеротетрамерной ацилкофермента А дегидрогеназы ». J. Bacteriol. 195 (19): 4331–4341. Дои:10.1128 / JB.00502-13. ЧВК  3807453. PMID  23836861.
17. Ватанабе К., Касаи Ю. (2008). «Новые технологии для анализа естественного ослабления и биоремедиации». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
18. Мейер А., Панке С. (2008). «Геномика в метаболической инженерии и биокаталитических приложениях оборудования для разложения загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
19. Мачида, Масаюки; Гоми, Кацуя, ред. (2010). Аспергиллы: Молекулярная биология и геномика. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-53-0.
20. Беннетт Дж. В. (2010). "Обзор рода Аспергиллы" (PDF). Аспергиллы: Молекулярная биология и геномика. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-53-0. Архивировано из оригинал (PDF) на 17.06.2016.