Влияние опасных микрополлютантов на водорослёво-бактериальные сообщества и их эффективность в биологической очистке сточных водНИР

Effect of hazardous micropollutants on alga-bacterial consortia and their efficiency at biotreatment of waste streams

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 7 июня 2024 г.-31 декабря 2024 г. Влияние опасных микрополлютантов на водорослёво-бактериальные сообщества и их эффективность в биологической очистке сточных вод
Результаты этапа: - Действие антибиотика (цефтриаксона) на фоне тяжелых металлов и наночастиц оксида меди Визуальных отличий между культурами, инкубированными с антибиотиком и без него, не зарегистрировано (различия в функциональном состоянии культур обсуждаются ниже). Исключение составляли культуры, инкубированные с наночастицами CuO: они демонстрировали визуально различимое угнетение и выцветание пигментов, однако и в этих вариантах часть клеток выживала, что будет показано ниже, при обсуждении функционального состояния клеток. Сильнее всего проявлялся токсический эффект тяжелых металлов, выражавшийся в выцветании пигментов и гибели большинства клеток в течение 12 суток инкубации. Однако присутствие антибиотика не потенциировало действия ионов кадмия, тогда как добавление наночастиц CuO, очевидно, усиливало токсический эффект тяжелого металла. В целом, при иммобилизации клеток микроводорослей на полимерных носителях наблюдали те же эффекты, но визуально сравнить величину этих эффектов было затруднительно, поэтому данную задачу решали с использованием инструментальных методов измерения переменной флуоресценции хлорофиллла а. В совокупности, полученные данные о состоянии культур микроводорослей, включая статус их фотосинтетического аппарата, выявил лишь незначительное влияние антибиотика цефтриаксона на данные параметры несмотря на его высокую концентрацию (20 мг/л) по сравнению с концентрациями, типичными для водной среды в антропогенно нарушенных биотопах и муниципальных сточных вод (порядка 1 мг/л). При этом данный антибиотик не усиливал действие других ОМП (тяжелых металлов и наночастиц CuO) в наших экспериментальных условиях. Как наночастицы CuO, так и ионы кадмия вызывали негативные изменения в состоянии культур. При этом ионы тяжелых металлов вызвали наиболее выраженный токсический эффект, вплоть до массовой гибели клеток. Присутствие наночастиц в исследованной концентрации не оказывало никакого влияния на состояние клеток микроводорослей, либо вызывало умеренно негативные изменения. Сочетание ионов кадмия и наночастиц CuO обладало наибольшим ингибирующем действием на клетки исследованных микроводорослей. По всей видимости, наночастицы могли сорбировать ионы тяжелых металлов на совей поверхности, повышая их локальную концентрацию до токсического уровня, и (или) способствовать проникновению ионом металлов в клетку, взаимодействуя с внеклеточными структурами и оболочкой клеток микроводорослей. С другой стороны, присутствие наночастицы в отдельных случая снижало негативное влияние тяжелых металлов на функционирование фотосистемы II, что может быть вызвано затеняющим (экранирующим) действием наночастиц в отношении клеток. - Анализ воздействия ОМП на таксономическую структуру и морфологию природных и реконструированных сообществ, в т.ч. иммобилизованных на полимерных носителях. Важным результатом является отсутствие значимых различий между способностью к биоизъятию Pi между образцами АБС, инкубированными с добавлением лекарственных веществ и без него. По-видимому, использованные в нашей работе концентрации лекарственных веществ не оказывали существенного влияния на метаболизм фосфора в клетках микроорганизмов, составляющих основу АБС. Не исключено также, что уязвимые для действия лекарств микроорганизмы быстро замещались в составе сообщества более толерантными его компонентами, при этом интегральный показатель (поглощение Pi) оставался на уровне АБС, не инкубированных с лекарствами. Влияние инкубации с лекарственными веществами на структуру микробиома. Для всех исследованных образцов были получены данные ампликонного секвенирования гипервариабельного фрагмента V4 гена 16S рРНК на платформе секвенирования Illumina NGS, по которым был определён состав и условное количественное содержание микроорганизмов. Таксономический состав образцов имел много общих родов не только между собой, но и с контрольным образцом сточных вод без добавки биомассы. Выявлено отсутствие выраженного сходства между методами секвенирования для всех образцов, причём для образцов +N+P, ДФ+N+P, ЦТА+N+P сходство между результатами метабаркодинга и нанопорового секвенирования наблюдалось меньше всего. Несмотря на разную возможную природу подобных различий, они лишь подчёркивают зависимость получаемых при метагеномном анализе результатов от выбора метода секвенирования биологического образца. Установлено, что инкубация с лекарственными веществами снижала представленность в метагеноме сообщества генов, кодирующих пути деградации ряда субстратов — альдегидов, октана, олигомеров нейлона-6 и циклолитов. Фактически, эти соединения, а также родственные им молекулы, часто выявляются в муниципальных сточных водах как органические поллютанты, в основном из промышленных источников. Аналогично, инкубация с лекарственными веществами снижала представленность генов, кодирующих пути метаболизма макроэлементов минерального питания, такие как микробное окисление серы, нитрификация, денитрификация и деградация метилфосфоната. Можно ожидать, что подобные изменения будут снижать потенциал сообщества относительно способности к биоизъятию макронутриентов из сточных вод. Вместе с этим инкубация сообществ в присутствии лекарственных веществ и высоких концентраций биодоступного азота и фосфора увеличивало представленность в их метагеноме путей как катаболизма, так и биосинтеза нуклеотидов и нуклеозидов. Таким образом, вероятно, что потенциал компонентов АБС к вовлечению в метаболизм неорганического азота и фосфора частично сохраняется. Для аминокислот, углеводов и биополимеров в большей степени увеличивалась представленность генов катаболизма, чем биосинтеза. Исследованные лекарства оказывали различное влияние на представленность определенных метаболических путей в метагеноме сообществ. Так, наблюдали увеличение относительной представленности путей, связанных с устойчивостью к действию ЦТА (по механизму репарации компонентов клеточной стенки, так как ЦТА действует за счет подавления синтеза данных компонентов). Кроме того, ЦТА, в отличие от ДФ, уменьшал представленность путей биосинтеза сидерофоров, что может быть косвенным индикатором пролиферации микроводорослей в образцах АБС, инкубированных с антибиотиком. - Обобщение полученных результатов. Важным итогом реализации проекта стало понимание неоднозначности действия ОМП, включая НЧ, на состояние и метаболизм микроводорослей и ассоциированных с ними гетеротрофных бактерий. Иными словами, наночастицы способны как ингибировать, так и стимулировать жизнедеятельность микроводорослей в зависимости от концентрации токсиканта и его времени воздействия на клетки. Анализ динамики сообщества гетеротрофных бактерий и культуры микроводоросли Lobosphaera показал, что клетки бактерий активно заселяют, вместе с водорослями, поверхность биополимеров при иммобилизации микроводорослей. В целом, действие антибиотика приводит к направленным сдвигам в структуре популяции бактерий-ассоциантов, а также к сужению их биоразнообразия. Исследование влияние лекарственных веществ на морфофизиологические свойства и метагеномы АБС водоочистных сооружений, формирующихся на основе микроводорослей и (или) цианобактерий продемонстрировало обогащение АБС антибиотикоустойчивыми бактериями в этих условиях. Несмотря на сохранение темпов изъятия фосфора, генетически детерминированный потенциал сообщества в плане его способности к изъятию биогенных элементов проявлял тенденцию к снижению. Параллельно наблюдали замену исходно присутствовавших в сообществе цианобактерий на эукариотические микроводоросли. Несмотря на значительный объём данных об изменении метаболизма исследованных АБС, полученный с помощью алгоритма PICRUSt2, они не позволяют однозначно судить о направленности изменения метаболического потенциала сообществ. Причиной является ограничение по точности идентификации микроорганизмов, накладываемое методом ДНК метабаркодинга на платформах NGS, результаты которого использует алгоритм PICRUSt2. Напротив, анализ необработанных длинных чтений (с применением алгоритмов сервиса BugSeq) обнаружил присутствие в метагеномах АБС, инкубированных в присутствии антибиотика, рост представленности маркеров устойчивости к антибиотикам. Существенно также, что наблюдали рост представленности генов устойчивости к иным видами антибиотиков, не использовавшихся в данной работе. Таким образом, выполненное исследование подтверждает принципиальную возможность постепенного формирования неспецифичной и (или) перекрестной (множественной) лекарственной устойчивости, в том числе к антибиотикам, у микроорганизмов из сообществ очистных сооружений под действием лекарственных веществ, попадающих в муниципальные сточные воды. Также результаты указывают на большое значение технологии нанопорового секвенирования для более удобного, точного и информативного мониторинга микробных сообществ. Итоги проекта позволяют утверждать, что, с учетом вышеупомянутых ограничений, биотехнологии, основанные на микроводорослях и водорослево-бактериальных консорциумах, являются многообещающей альтернативой для переработки сточных вод, содержащих ОМП. Дальнейшие направления исследований включают поиск толерантных штаммов, способных разрушать ОМП, а также выделение штаммов с высокой чувствительностью к ОМП также важно для разработки чувствительных методов биоиндикации. Вызывает тревогу рост представленности носителей генов антибиотикорезистентности, обнаруженный в исследованных нами модельных системах даже за столь краткое время эксперимента. В этой связи очевидна необходимость мониторинга структуры микробных сообществ очистных сооружений метагеномными методами — это позволит управлять рисками, связанными с распространением антибиотикорезистентных, потенциально патогенных микроорганизмов. Необходимость решения этих задач тем острее, чем быстрее и шире распространяются технологии, использующие антибиотики, НЧ и наноматериалы.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".