1. ВЪВЕДЕНИЕ
Развитието на човешката цивилизация е тясно свързано с околната среда. Но с появата на силно индустриално общество опасностите от човешка намеса в природата рязко се увеличават. Вредното въздействие върху околната среда е генерален проблем, който влияе върху биоразнообразието и човешкото здраве.
Глобалният характер на замърсяването на околната среда в последните години изисква приемането на адекватни по мащаб мерки за предотвратяване на този процес и премахване на вече съществуващи източници на замърсяване. Необходимо е да се разработят нови подходи, включително принципно нови биотехнологии, основани предимно на използването на микробиологични методи.
Такъв подход е прилагането на ремедиационни процеси с цел възстановяване на замърените зони в естественото им състояние. Съществуващите технологии за ремедиация на замърсената околна среда се делят на две основни групи – in situ и ex situ. Технологиите in situ включват третиране на замърсения материал директно на място. Технологиите ex situ са вариант за възстановяване, при който замърсителят се отстранява от първоначалното си местоположение и се почиства далеч от замърсената зона или извън района. Методите за ремедиация прилагани във всеки конкретен случай на замърсена околна среда, се определят от вида и степента на замърсяване, както и от характеристиките на самия терен.
Сред различните методи на ремедиацията на околната среда, биоремедиацията заема водеща роля. Съвременните биоремедиационни практики включват техники за отстраняване на замърсяване или на замърсители от почвите (повърхностния слой, подпочвения пласт и седимента), водите (както подпочвените, така и повърхностните) и въздуха.
Биоремедиацията е естествен и устойчив процес, подходящ за премахване или намаляване на замърсяването на почвите и водите, чрез използване на живи организми като бактерии, филаментозни гъби, дрожди, водорасли и растения, с цел разграждане или трансформиране на токсични съединения от вода или почва. Този ефективен и щадящ околната среда подход за възстановяване на замърсени региони е клон на биотехнологията, който има за цел да преодолее ограничаващите фактори, които забавят скоростта на биоразграждането.
Основни методи на биоремедиацията:
- естествено затихване, при което има малка или никаква човешка намеса;
- биостимулация – добавяне на хранителни вещества и донори/акцептори на електрони за насърчаване на растежа или метаболизма на определени микроорганизми;
- биоаугментация – целенасочено добавяне на естествени или изкуствено създадени микроорганизми.
Основни предимства на биоремедиацията:
- екологичност: методът използва природни процеси, което минимизира необходимостта от химически средства и намалява вторичното замърсяване;
- икономическа ефективност: в сравнение с традиционните методи като изкопаване и отстраняване на замърсена почва, биоремедиацията често е по-евтина и по-малко инвазивна.
- устойчивост: след успешно прилагане на биоремедиация, засегнатите райони могат да бъдат възстановени и върнати към нормална употреба, което подобрява качеството на живота и здравето на хората.
Предизвикателства пред биоремедиацията
- приложението на микробиологичните процеси в биоремедиацията е все още ограничено, поради липсата на достатъчно знания за микробния метаболитен потенциал за възстановяване на околната среда;
- ограничаване прилагането на биоремедиация поради все още слабо разбраните процеси, които контролират развитието на микроорганизми в замърсените зони.
2. КОНСТАТАЦИИ
Екологичната омика се отнася до прилагането на omics технологии за разбиране и моделиране на екологични и генетични фактори, механизми на токсичност и начини на реагиране. Тя изучава характеристиките на биомолекулите във връзка с излагането на различни фактори на околната среда и прилага систематични подходи за напредък в разбирането на биологичните процеси в контекста на околната среда. Използването на високопроизводителни проучвания могат да помогнат за идентифицирането на нови организми, подходящи за биоремедиация и да открият ефективни механизми за разграждане замърсителите на молекулярно ниво.
2.1. Основни омикс техники, свързани с екологични приложения
Омиката на околната среда има за цел да разбере по-добре метаболитните процеси на широк кръг организми и/или сложни микробни общности, за да подобри връзката фенотип-генотип, като по този начин предоставя нови прозрения за ключови молекули в отговор на промените в околната среда и безценна информация за микробните общности.
Основните омикс техники, свързани с екологични приложения са представени на Фиг. 1:
- Метагеномика– наука за геномите в едно микробно съобщество. Тази техника позволява идентифицирането на нови видове и функционални гени, които не могат да бъдат култивирани в лабораторни условия.
- Метатранскриптомика– секвениране на целия (мета)транскриптом на микробното съобщество за разкриване на активно експресираните гени и микробните функции при условия и в даден времеви обхват.
- Метапротеомика– нововъзникваща омикс наука, предоставяща информация за всички протеини в микробните общности в определен интервал от време.
- Метаболомика– идентифициране и количествено определяне на всички метаболити в една проба, най-директния показател за поддържане или изменяне на хомеостазата.
- Флуксомика– нова омикс дисциплина, която се занимава с анализа на метаболитните потоци и флуксомът, улавя реалната и динамична картина на фенотипите при дадени условия.
Научете: Метагеномни принципи и работен процес: (видео)
Научете: Метатранскриптомичен анализ (урок): (видео)
Научете: Повече за типовете метапротеомика (видео)
Научете: Повече за метаболомиката и метаболомиката на околната среда (видео)
Омикс техниките предоставят безценна информация за микробните общности и техните взаимодействия с околната среда, позволяват цялостен анализ на биологичните системи и помагат за откриването на нови биомаркери и механизми на адаптация. Комбинирането на различни omics техники помога да получи по-пълна картина на екосистемните процеси и да разработят стратегии за опазване на околната среда и устойчиво управление на ресурсите (Фиг. 11.1).
Фигура 11.1. Интегриране на омикс техниките, свързани с екологични приложения (Източник: Emwas et al., 2022 ).
2.2. Холистичен мултиомикс подход за изследване на околната среда
Микробните общности са от решаващо значение за функционирането на различни екосистеми и оказват критично въздействие върху кръговрата на хранителните вещества, селското стопанство и здравето. Те се характеризират с взаимосвързаност, която е очевидна в симбиотичните взаимоотношения, метаболитния обмен и комуникационните мрежи, които микробите установяват. Разбирането на тези сложни връзки е от решаващо значение за дешифрирането на устойчивостта и адаптивността на микробните общности към екологичните промени и запазването на баланса и устойчивостта на екосистемите. През призмата на новите омикс подходи и биоинформатиката се разкриват ролите на специфични микробни видове, техните отговори на промените в околната среда и тяхното колективно въздействие върху биогеохимичните цикли (Фиг. 11.2). Мултиомиксният подход позволява на изследователите да придобият холистично разбиране на микробните системи чрез изясняване на генната експресия, активностите на редица протеини и метаболитните пътища в рамките на сложните микробни общности.
Фигура 11.2. Свързаност на микробиома на екосистемата. (Източник: Zhu et al., 2023)
3. АЛТЕРНАТИВИ
3.1. Биотехнологичните приложения на екологичната омика
Екологичната омика, която използва омикс технологиите в екологичен контекст, има широк спектър от биотехнологични приложения. Основните от тях са представени в Таблица 11.1.
Таблица 11.1. Основни биотехнологични приложение на екологичната омика
| Приложение | Същност |
| Биоремедиация | Използване на микроорганизми и ензими за разграждане на опасни отпадъци, пречистване на отпадъчни води и почви, и подобряване на аквакултурата; екологично чист метод с нисък риск за човешкото здраве. |
| Устойчиво селско стопанство | Приложение на клетъчни и тъканни култури, генна рекомбинация и микробна ферментация за създаване на нови растителни сортове с повишена продуктивност и устойчивост на стресови фактори. |
| Биопроизводство и индустриални биотехнологии | Използване на микроорганизми или техни биологични компоненти за разработване на нови производствени процеси, които изискват по-малко ресурси и енергия и генерират по-малко отпадъци и замърсяващи емисии. |
| Развитие на биоикономиката | Интегриране на биотехнологични подходи за създаване на нови продуктови вериги на стойността, които подпомагат икономическия растеж и заетостта, като същевременно опазват околната среда. |
4. РЕШЕНИЯ – ОМИКС ТЕХНИКИ И ПОДХОДИ
Омикс подходите с потенциално биотехнологично приложение в изследванията на околната среда подпомагат разбирането и оптимизирането на метаболитните пътища, което е от съществено значение за индустриалното биопроизводство (Фигура 11.3).
Екологичната омика предоставя мощни инструменти за оптимизация и усъвършенстване на биоремедиационните процеси. Чрез интеграция на различни „омикс“ технологии може да се постигне по-добро разбиране на микробиалните общности и техните взаимодействия със замърсителите, което води до по-ефективни и устойчиви решения за отстраняване на замърсителите в околната среда.
Фигура 11.3. Omics подходи с потенциално приложение в изследванията на околната среда. (Източник: Sharma et al., 2022)
4.1. Биоразграждане на опасни замърсители
Разпространението на тетрахлороетен и трихлороетен, като замърсители на подпочвените води се дължи до голяма степен на тяхната обща употреба като разтворители за химическо чистене и метални обезмаслители и на неправилното им изхвърляне. Биотехнологията предлага инови възможности за биоразграждане на трихлороетен, трихлороетен и токсичния метаболит цис -дихлороетен (cDCE). Пример за това е Polaromonas sp. щам JS666, който е единственият бактериален изолат, способен да използва цис-дихлороетен (cDCE).
Потенциални приложения на Polaromonas sp. за биоремедиация и биокатализа: https://doi.org/10.1128/AEM.00031-09
4.2. Потенциал на омикс технологите за биоремедиация на тежки метали
Омикс технологиите играят ключова роля в оптимизирането на биоремедиационните техники за отстраняване или неутрализиране на тежки метали от околната среда чрез:
- Откриване на устойчиви организми: идентифициране на гени, отговорни за устойчивост и натрупване на тежки метали.
- Разкриване на механизми на детоксикация: изясняване на биохимичните пътища, чрез които организмите трансформират или изолират тежките метали.
- Генетична модификация: създадаване на генетично модифицирани организми с повишена способност за усвояване и неутрализиране на тежки метали.
- По-добро разбиране и подобряване на процесите на биоремедиация: интегриране на омикс технологиите за разработването на ефективни стратегии за почистване на замърсени среди.
В Таблица 11.2 са показани различни примери за приложения на халоархеалния вид Haloferax mediterranei.
Таблица 11.2. По-важни приложения на омикс технологии с микроорганизми за биоремедиация на тежки метали
| Haloferax mediterranei | Приложение |
| – Биоремедиация за отстраняване на мед в отпадъчни води с високи концентрации на нитрати, нитрити и (пер)хлорати. | Llorca & Martínez-Espinosa, 2022
|
| – Третиране на отпадъчни води с високи концентрации на соли. | Torregrosa-Crespo et al., 2020
|
| – Модел за производство на полихидрокси-алканоати (PHA). | Wang and Zhang, 2021 |
| – Източник на хидролитични ензими като липази | Akmoussi-Toumi et al., 2018 |
| – Клетъчна фабрика за производство на каротеноиди като бактериоруберин. | Giani et al., 2021 |
4.3. Разработване на иновативни биосензори
В последните години, лантанидите (Ln) фокусират вниманието на изследователите поради използването им за разработване на нови технологии за получаване на зелена енергия. Опасенията обаче, за тяхното въздействие върху околната среда и човешкото здраве изискват дизайна на надеждни биосензори за мониторинг на натрупването им и установяване на клетъчните и молекулярни механизми на тяхната токсичност.
Прилагането на омикс подходи (геномно фенотипиране, протеомен анализ и молекулярни анализи на физиологията) на моделен обект Saccharomyces cerevisiae, изложен на въздействието на лантаниди разкрива гените и метаболитните пътища, влияещи върху резистентността и токсичността на Ln. Чрез комбиниране на тези омикс подходи се установява, че компонентите на клетъчната стена не само участват при адсорбцията на Ln, но също така са активни сигнални ефектори, позволяващи на клетките да диференцират леки и тежки Ln Тези изследвания проправя пътя за по-добро разбиране на токсичността на Ln при висшите еукариоти. [Grosjen et al., 2022].
Разработване на иновативни биосензори за замърсяване с лантаноиди:
Grosjen et al., 2022
4.4. Приложение на екологичната омика в агробиотехнологията
Прилагането на еко-омични подходи може да бъде от ключово значение за увеличаване на добивите от селскостопански култури без отрицателни въздействия върху околната среда, чрез разработването на биоторове или производството на биостимуланти.
Ризобактериите, насърчаващи растежа на растенията могат да се използват като биоторове. Тези микроорганизми играят важна роля в създаването на благоприятна екологична среда в ризосферата, намаляване на употребата на химически торове и пестициди, инхибиране на появата на вредители и болести и осигуряване на устойчиво развитие на съвременното селско стопанство, като същевременно се постига целта за увеличено производство. Прилагането на омикс техниките в последните години разкрива основните механизми, чрез които ризобактериите в кореновата система на растенията стимулират растежа им. Примери за използване на омикс техники за реализиране на селскостопанско значими характеристики на растенията са посочени в Таблица 11.3.
Таблица 11.3. Приложения на протеомни, транскриптомични и метаболомни техники за изучаване на ризобакретиите и повишаване тяхната ефективност.
| Микробен вид | Приложение |
| Bacillus pumilus | Liu et al., 2020 – разкриване на механизм на стимулиране растежа на корените на ориза. |
| Herbaspirillum seropedicae | Irineu et al., 2022 – изясняване на механизмите на молекулярно ниво за стимулиране на ранния стадий на развитие на царевицата и увеличаване на добивите при инокулиране с микробния вид. |
4.5. Мултиомикс биотехнологично решение за намаляване на замърсяването с нефт
Замърсяването с нефт на морската среда, причинено главно от антропогенни дейности, е сериозен екологичен проблем поради отрицателното си въздействие върху човешкото здраве и екосистемите. Например инцидентът предизвикан от взрив на петролната платформа Deepwater Horizon, разположена в Мексиканския залив през 2010г. доведе до екокатастрофа със сериозни щети върху морската екосистема. Именно биоремедиационните подходи бяха онези, които спомогнаха за цялостно елиминиране на петролния замъсител.
Научете: Как се случи петролният разлив: бедствието на дълбоководния хоризонт (видео)
Разкриването на геномния фон на микроорганизмите, разграждащи въглеводороди е от важно значение за екологията, тъй като допринася за разработването на ефективни методи за намаляване на замърсяването с нефт и смекчаване на щетите върху околната среда. Високопроизводителното секвениране предоставя нови знания за основните механизми в микроорганизмите, извършващи разграждането на петрола. Досега геномите на няколко бактерии, разграждащи въглеводороди, са анализирани задълбочено. Тези геноми показват различни характерни разлики (Таблица 11.4).
Таблица 11.4. Характеристика на геномите на различни бактепиални видове с капацитет за разграждане на петрол.
| Бактериален вид | Омикс подход | Получени характеристики |
| Alcanivorax borkumensis SK2 | de novo транскриптомика, базирана на RNA-seq и метагеномен анализ
|
– Рационализиран геном с малко гени, свързани с производство на енергия и мобилни генетични елементи, но с изобилие от гени, свързани с разграждането на петрола (Schneiker et al., 2006). |
| Achromobacter sp. HZ01 | de novo транскриптомика, базирана на RNA-seq и метагеномен анализ
|
– 5.5 Mbp геном, анотирани общо 5081 гена;
– най-изобилният метаболитен път – аминокиселинния метаболизъм; – може да използва въглеводороди като източници на въглерод – изобилие от протеини, пряко свързани с разграждането на петролните въглеводороди); – пълна ензимна система за окислително разграждане на n -алкани, инициирано от цитохром Р450; – разграждане ароматни съединения по катехоловия път – не окислява метан или циклоалкани – определени са 150 гена свързани с биоразграждане и метаболизъм на ксенобиотици. – изобилие от гени, свързани с метаболизма на вторични метаболити, включително за биосинтеза на биосърфактанти. (Hong et al., 2017) |
5. ПРЕПОРЪКИ (ЗАКЛЮЧЕНИЕ)
През последните години замърсяването на околната среда вече тласка Земята отвъд нейното състояние на хомеостаза, което показва необходимостта от бързо възстановяване и разработване на стратегии за постигане на целите на ООН за устойчиво развитие до 2030 г. Прилагането на нови подходи обаче не идва без предизвикателства. Използването на omics технологиите за изследванията в екологичен контекст генерира огромно количество научни данни, което значително разширява наличната информация. В търсенето на нови знания обаче трябва да се преодолеят някои предизвикателства при интерпретацията. Поради огромното количество и сложност на данните, анализът им изисква специални техники, базирани на машинно обучение и големи масиви. В случай на единичните омикс подходи, обработката на данни трябва да адресира до проблеми с филтрирането и почистването на данни, курирането, трансформацията, нормализирането и мащабирането. Мултиомиксният анализ също трябва да преодолее допълнителни предизвикателства свързани с интегрирането на данни, сливането, клъстерирането, визуализацията и функционалната им характеристика.
Независимо от тези потенциални трудности, омикс подходите направиха възможно наблюдението и измерването на биологични системи с безпрецедентна прецизност и при непрекъснато намаляващи разходи и е само въпрос на време тези подходи да бъдат напълно интегрирани в науките за околната среда.
6. ЛИТЕРАТУРА
Akmoussi-Toumi, S., Khemili-Talbi, S., Ferioune, I., and Kebbouche-Gana, S. (2018) Purification and characterization of an organic solvent-tolerant and detergent-stable lipase from Haloferax mediterranei CNCMM 50101. Int. J. Biol. Macromol. 116, 817–830. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.05.087
Emwas, A.H., Szczepski, K., Al-Younis, I., Lachowicz, J.I., Jaremko, M. (2022) Fluxomics – New Metabolomics Approaches to Monitor Metabolic Pathways. Front Pharmacol. 13, 805782. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.805782
Giani, M., Montero-Lobato, Z., Garbayo, I., Vílchez, C., Vega, J. M., Martínez-Espinosa, R.M. (2021) Haloferax mediterranei cells as C50 carotenoid factories. Mar. Drugs 19, 100. https://doi.org/10.3390/md19020100
Hong, Y.H., Ye, C.C., Zhou, Q.Z., Wu, X.Y., Yuan, J.P., Peng, J., Deng, H., Wang, J.H. (2017) Genome Sequencing Reveals the Potential of Achromobacter sp. HZ01 for Bioremediation. Front Microbiol. 8,1507. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01507
Irineu, L.E.S.d.S., Soares, C.d.P., Soares, T.S., Almeida, F.A.d., Almeida-Silva, F., Gazara, R.K., Meneses, C.H.S.G., Canellas, L.P., Silveira, V., Venancio, T.M., et al. (2023) Multiomic Approaches Reveal Hormonal Modulation and Nitrogen Uptake and Assimilation in the Initial Growth of Maize Inoculated with Herbaspirillum seropedicae. Plants 12, 48. https://doi.org/10.3390/plants12010048
Jennings, L.K., Chartrand, M.M., Lacrampe-Couloume, G., Lollar, B.S., Spain, J.C., Gossett, J,M. (2009) Proteomic and transcriptomic analyses reveal genes upregulated by cis-dichloroethene in Polaromonas sp. strain JS666. Appl Environ Microbiol. 75(11), 3733-44. https://doi.org/10.1128/AEM.00031-09
Liu, S.R., Peng, X.X., Li, H. (2019) Metabolic Mechanism of Ceftazidime Resistance in Vibrio Alginolyticus. Infect. Drug Resist. 12, 417–429. https://doi.org/10.2147/IDR.S179639
Llorca, M.G., Martínez-Espinosa, R.M. (2022) Assessment of Haloferax mediterranei Genome in Search of Copper-Molecular Machinery With Potential Applications for Bioremediation. Front Microbiol. 13, 895296. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.895296
Martínez-Espinosa, R.M., Armengaud, J., Matallana-Surget, S., Olaya-Abril, A. (2023) Editorial: Environmental omics and their biotechnological applications. Front Microbiol. 14, 1165558. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1165558
Schneiker, S., Martins dos Santos, V.A., Bartels, D., Bekel, T., Brecht, M., Buhrmester, J., et al. (2006) Genome sequence of the ubiquitous hydrocarbon-degrading marine bacterium Alcanivorax borkumensis. Nat. Biotechnol. 24, 997–1004. https://doi.org/10.1038/nbt1232
Sharma, P., Singh, S.P., Iqbal, H.M.N., Tong, Y.W. (2022) Omics approaches in bioremediation of environmental contaminants: An integrated approach for environmental safety and sustainability. Environ. Res., 211, 113102. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113102
Torregrosa-Crespo, J, Marset, X, Guillena, G, Ramón, DJ, María Martínez-Espinosa R. (2020) New guidelines for testing „Deep eutectic solvents“ toxicity and their effects on the environment and living beings. Sci Total Environ. 704, 135382. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135382
Wang, K., and Zhang, R. (2021) Production of Polyhydroxyalkanoates (PHA) by Haloferax mediterranei from food waste derived nutrients for biodegradable plastic applications. J. Microbiol. Biotechnol. 31, 338–347. https://doi.org/10.4014/jmb.2008.08057
Wilmes P, Heintz-Buschart A, Bond PL. (2015) A decade of metaproteomics: where we stand and what the future holds. Proteomics. 15(20), 3409-17. https://doi.org/10.1002/pmic.201500183.
Zhu, Y.G., Zhu D., Rillig M.C., Yang Y., Chu H., Chen Q.-L., Penuelas J., Cui H.-L., Gillings M. (2023) Ecosystem Microbiome Science. mLife 2(1), 2-10. https://doi.org/10.1002/mlf2.12054
