Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
За кореспонденция. Имейл [email protected]; Тел. + 39‐0690672751; Факс + 39‐0690672787.
Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
Инженерно училище, Университет Нюкасъл, Нюкасъл на Тайн, Великобритания
Училище за природни и екологични науки, Нюкасъл университет, Нюкасъл на Тайн, Великобритания
Департамент по биология, Университет на Южна Дания, Одензе, Дания
Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
За кореспонденция. Имейл [email protected]; Тел. + 39‐0690672751; Факс + 39‐0690672787.
Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
Институт за изследвания на водите (IRSA), Национален съвет за изследвания (CNR), Монтеротондо, РМ, Италия
Инженерно училище, Университет Нюкасъл, Нюкасъл на Тайн, Великобритания
Училище за природни и екологични науки, Нюкасъл университет, Нюкасъл на Тайн, Великобритания
Департамент по биология, Университет на Южна Дания, Одензе, Дания
Информация за финансиране:
Проектът на Европейския съюз „Хоризонт 2020“ ELECTRA (www.electra.site) по споразумение за безвъзмездна помощ № 826244.
Резюме
Директният междувидов електронен трансфер (DIET) чрез електропроводими минерали може да играе роля в анаеробното окисляване на петролните въглеводороди в замърсени места и може да се използва за разработването на нови, по-ефективни подходи за биоремедиация.
Откриването на директен междувидов електронен трансфер
Откриването на директен междувидов електронен трансфер (DIET) между микробни клетки разкри нова и вълнуваща възможност за микробно сътрудничество в енергийно ограничени анаеробни екосистеми (Summers и др., 2010). Първото наблюдение на DIET асоциация беше между две Geobacter видове, Geobacter metallireducens и Geobacter sulfulfucens, отглеждани на среда, снабдена с електронен донор (етанол) за първия вид и електронен акцептор (фумарат) за останалите видове. Заедно двамата Geobacter образувани електропроводими агрегати. В тези агрегати електроните от окисляването на донора на електрони от G. metallireducens бяха предадени на G. sulfulfucens, които биха могли да ги използват за намаляване на фумарата до сукциниране. Електрическото окабеляване между двата микроорганизма е осигурено от ° СТип цитохроми и проводящи пили тип IV (Summers и др., 2010). Пили и ° СТип-цитохроми се изискват само за DIET асоциации и ненужни за асоциации между Geobacter и партньори, способни да прехвърлят формат или H2 (Rotaru и др., 2012).
Това разрушително откритие разтърси консолидирана парадигма, според която обменът на електрони (както и на хранителни вещества, въглеродни субстрати и информация) между микробите протича чрез молекулярна дифузия на разтворими (редокс-активни) молекули като Н2 или формиат (Stams и Plugge, 2009; Schink and Stams, 2013). Теоретичните анализи показват, че DIET (управляван от електрическата проводимост) може да бъде значително по-бърз и по-ефективен от междувидовия H2 трансфер, уреден от закона на Фик за молекулната дифузия (Cruz Viggi и др., 2014; Cheng and Call, 2016). Това води до интригуващата хипотеза, че директният електронен трансфер между микробни видове може да бъде много по-широко разпространен в естествената среда, отколкото е било признато досега.
Практически последици от DIET в инженерните биопроцеси
Ползите от подобряването на конвенционалните AD процеси са ясни и отчасти се оправдават от бързо разрастващия се AD пазар, който се насърчава от повишен фокус върху декарбонизиране на енергийния сектор (Edwards и др., 2015). Въпреки това има много други възможности и приложения за диета на хоризонта. Една широка област, която остава до голяма степен неизследвана, е биоремедиацията на почвата, утайките и подпочвените води. Тук посочваме ролята на диетата върху анаеробното биоразграждане на петролните въглеводороди, задвижвана от естествени или специално добавени електропроводими минерали или материали. Очакваме, че използването на DIET може да допринесе за развитието на нови, по-ефективни технологии за биоремедиация.
Синтрофично анаеробно биоразграждане на въглеводородни замърсители
Много подпочвени среди, като почви, седименти и водоносни хоризонти, стават бързо анаеробни след случайно замърсяване с петролни въглеводороди. Това е така, защото въглеводородите служат като донори на електрони в метаболизма на бързо растящите аеробни микробни съобщества, като по този начин водят до бързо изчерпване на кислорода, който само бавно се попълва от околните оксидни среди. Макар и по-бавно от аеробния си аналог, биоразграждането на голямо разнообразие от алифатни и ароматни въглеводороди при анаеробни условия е широко документирано (Widdel and Rabus, 2001; Gieg и др., 2014; Рабус и др., 2016). В този контекст очакваме анаеробното биоразграждане на въглеводородите да се превърне във все по-актуален процес в управляваното затихване на замърсените подпочвени среди.
Съвети за диетично разграждане на въглеводороди и спешни нужди от изследвания
Електричество, генерирано спонтанно и широко в дълбоководните хидротермални полета от окислението на хидротермалните течности (съдържащо метални йони като Fe 2+, Cu 2+ и редуцирани газове като H2S, H2 и CH4) и разпространено чрез богато на сулфид минерални находища (Ямамото и др., 2017).
В заключение, очевидно е, че съществува осезаем потенциал, че деградиращите въглеводорода микробни съобщества, обитаващи (антропогенно или естествено) замърсени подпочвени среди като почва, утайки и водоносни хоризонти, могат да се обединят с разнообразие от проводими и полупроводими частици, обилно и повсеместно присъстващи в такива екосистеми (или допълнени ad hoc), за свързване, дори пространствено отдалечени, биогеохимични реакции и съответно извършват специфични синтетични и/или кооперативни метаболизми от голямо значение за околната среда.