Alulértékelt DIET anaerob kőolaj szénhidrogént lebontó mikrobiális közösségek számára

Vízkutató Intézet (IRSA), Nemzeti Kutatási Tanács (CNR), Monterotondo, RM, Olaszország

Levelezésre. E-mail: [email protected]; Tel. + 39-0690672751; Fax: + 39-0690672787.

Vízkutató Intézet (IRSA), Nemzeti Kutatási Tanács (CNR), Monterotondo, RM, Olaszország

Mérnöki Iskola, Newcastle Egyetem, Newcastle upon Tyne, Egyesült Királyság

Természettudományi és Környezettudományi Iskola, Newcastle Egyetem, Newcastle upon Tyne, Egyesült Királyság

Biológiai Tanszék, Dániai Egyetem, Odense, Dánia

Vízkutató Intézet (IRSA), Nemzeti Kutatási Tanács (CNR), Monterotondo, RM, Olaszország

Levelezésre. E-mail: [email protected]; Tel. + 39-0690672751; Fax: + 39-0690672787.

Vízkutató Intézet (IRSA), Nemzeti Kutatási Tanács (CNR), Monterotondo, RM, Olaszország

Mérnöki Iskola, Newcastle Egyetem, Newcastle upon Tyne, Egyesült Királyság

Természettudományi és Környezettudományi Iskola, Newcastle Egyetem, Newcastle upon Tyne, Egyesült Királyság

Biológiai Tanszék, Dániai Egyetem, Odense, Dánia

Finanszírozási információk:

Az Európai Unió Horizon 2020 projektje, az ELECTRA (www.electra.site) a 826244. számú támogatási megállapodás alapján.

Absztrakt

Az elektromosan vezető ásványokon keresztüli közvetlen fajok közötti elektrontranszfer (DIET) szerepet játszhat a kőolaj szénhidrogének anaerob oxidációjában a szennyezett helyeken, és felhasználható új, hatékonyabb bioremediációs megközelítések kidolgozásához.

A fajok közötti közvetlen elektrontranszfer felfedezése

A mikrobasejtek közötti közvetlen fajközi elektrontranszfer (DIET) felfedezése új és izgalmas lehetőséget mutatott a mikrobiális együttműködésre az energiával korlátozott anaerob ökoszisztémákban (Summers et al., 2010). A DIET asszociáció első megfigyelése kettő között volt Geobacter faj, Geobacter metallireducens és Geobacter sulfuriesucens, az első fajhoz elektrondonort (etanolt), a többi fajhoz pedig elektron-akceptort (fumarátot) tartalmazó táptalajon növesztették. A kettő együtt Geobacter képződött elektromosan vezető aggregátumok. Ezekben az aggregátumokban az elektron donor által oxidálódó elektronok G. metallireducens átadták G. sulfurucucens, amely felhasználhatná őket a fumarát szukcinává redukálására. A két mikroorganizmus közötti elektromos vezetéket az biztosította cTípusú citokrómok és vezetőképes IV típusú pili (Summers et al., 2010). Pili és c-Típusú citokrómokra csak a DIET asszociációkra volt szükség, és a köztük lévő asszociációkra nem volt szükség Geobacter és formátum- vagy H2-transzferre képes partnerek (Rotaru et al., 2012).

Ez a bomlasztó felfedezés egy olyan konszolidált paradigmát rázott meg, amely szerint az elektronok (valamint a tápanyagok, a szén-szubsztrátok és az információk) cseréje a mikrobák között oldható (redox-aktív) molekulák, például H2 vagy formiát (Stams and Plugge, 2009; Schink és Stams, 2013). Elméleti elemzések azt mutatták, hogy a DIET (amelyet az elektromos vezetőképesség irányít) lényegesen gyorsabb és hatékonyabb lehet, mint a fajok közötti H2 transzfer, amelyet Fick molekuláris diffúziós törvénye szabályoz (Cruz Viggi et al., 2014; Cheng és Call, 2016). Ez ahhoz az érdekes hipotézishez vezet, hogy a mikrobafajok közötti közvetlen elektrontranszfer sokkal elterjedtebb lehet a természetes környezetben, mint azt korábban felismerték.

A DIET gyakorlati következményei a tervezett bioprocesszokban

A hagyományos dömpingellenes folyamatok javításának előnyei egyértelműek, és részben a gyorsan bővülő dömpingellenes piac indokolják, amelyet elősegít az energiaszektor dekarbonizálásának fokozott figyelembevétele (Edwards et al., 2015). Ennek ellenére sok más lehetőség és alkalmazás áll a DIET előtt a láthatáron. Az egyik széles terület, amely nagyrészt felderítetlen, a talaj, az üledék és a talajvíz bioremediációja. Itt rámutatunk a DIET szerepére a kőolaj szénhidrogének anaerob biológiai lebontásában, amelyet természetesen előforduló vagy speciálisan hozzáadott elektromosan vezető ásványok vagy anyagok vezetnek. Arra számítunk, hogy a DIET kiaknázása hozzájárulhat új, hatékonyabb bioremediációs technológiák kifejlesztéséhez.

Szénhidrogén-szennyező anyagok szintrofikus anaerob biodegradációja

Számos felszín alatti környezet, például a talaj, az üledék és a víztartó réteg gyorsan anaerobá válik, miután véletlenül szennyezték a kőolaj szénhidrogéneket. A szénhidrogének ugyanis elektrondonorként szolgálnak a gyorsan növekvő aerob mikrobaközösségek anyagcseréjében, ezáltal az oxigén gyors kimerüléséhez vezet, amely csak lassan töltődik fel a környező oxikus környezetből. Bár aerob társainál lassabban, anaerob körülmények között az alifás és aromás szénhidrogének sokféleségének biodegradációját széles körben dokumentálták (Widdel és Rabus, 2001; Gieg et al., 2014; Rabus et al., 2016). Ebben az összefüggésben arra számítunk, hogy az anaerob szénhidrogén biodegradáció egyre relevánsabb folyamat lesz a szennyezett felszín alatti környezetek irányított csillapításában.

Tippek a DIET által vezérelt szénhidrogén lebomlásra és sürgős kutatási igényekre

A mélytengeri hidrotermális mezőkben spontán és széles körben előállított elektromosság a hidrotermikus folyadékok mikrobiális úton történő oxidációjából (amely fémionokat, például Fe 2+, Cu 2+, és redukált gázokat, például H2S, H2 és CH4 tartalmaz), és szulfidban gazdag szaporítással ásványi lerakódások (Yamamoto et al., 2017).

Összefoglalva, nyilvánvaló, hogy kézzelfogható lehetőség van arra, hogy a szénhidrogént lebontó mikrobaközösségek (antropogén vagy természetes módon) szennyezett felszín alatti környezetekben, például talajban, üledékekben és víztartó rétegekben laknak, különféle vezető és félvezető részecskékkel bőségesen és mindenütt jelen van az ilyen ökoszisztémákban (vagy ad hoc kiegészítve), hogy párosuljon, akár térbeli távolságban is, biogeokémiai reakciókat, és ennek megfelelően specifikus szintrofikus és/vagy kooperatív metabolizmusokat hajtson végre, amelyek jelentős környezeti vonatkozású.