Новые бактерии из анаммокс-реактора для очистки сточных вод

Удаление азота из сточных вод критически важно для поддержания качества воды. Новая технология очистки на основе бактерий "анаммокс", способных удалять соединения азота в анаэробных условиях, значительно улучшила этот процесс. После десяти лет работы полномасштабного анаммокс-реактора исследователи из Университета Радбауд и BE-Basic изучили микроорганизмы в нём и обнаружили неожиданное разнообразие в этой искусственной системе, включая "микробную тёмную материю". Работа, опубликованная 31 марта в журнале Nature Communications, может помочь улучшить производительность анаммокс-реакторов.

Голландская компания по очистке сточных вод "Waterstromen" установила один из первых в мире анаммокс-реакторов в 2006 году в Олбургене (Нидерланды) для удаления азота из сточных вод соседней фабрики по производству картофеля фри Aviko. Теоретически анаммокс-реакторы могут удалять азот дешевле и энергоэффективнее традиционных методов. На практике реактор даже превзошёл ожидания, удаляя также большую часть оставшегося в воде углерода. Поскольку микробы в реакторе продолжали стабильно работать, биомассу из этого биореактора использовали для "засева" других очистных сооружений — от Англии до Китая, где её применили для запуска крупнейшего в мире анаммокс-реактора. Для этого несколько тонн биомассы пришлось доставлять самолётом, так как культура погибала при транспортировке морем, — инвестиция, иллюстрирующая ценность этой технологии. В настоящее время анаммокс-технология внедрена на более чем 100 очистных сооружениях по всему миру, и их число быстро растёт.

Исследование биомассы после десяти лет работы

После десяти лет стабильной работы пришло время проверить, как на самом деле поживает биомасса из Олбургена. "Эффективность микробов в этом реакторе выдающаяся, поэтому более глубокое понимание состава этой культуры поможет нам дальше совершенствовать анаммокс-технологию и применять её также для очистки муниципальных сточных вод", — поясняет Майк Йеттен, профессор микробной экологии Университета Радбауд.

Новый метод — метагеномика

До сих пор исследования анаммокс-реакторов фокусировались на известных микроорганизмах системы: аэробных, окисляющих аммоний с образованием нитрита (зависящих от кислорода), и анаэробных аммоний-окисляющих (анаммокс) организмах, которые вместо этого производят газообразный азот, но для которых кислород токсичен. Эти два типа организмов могут сосуществовать в плотных комочках биомассы, где аэробы находятся снаружи и потребляют весь кислород, оставляя внутреннюю часть лишённой кислорода и пригодной для анаэробных анаммокс-бактерий. Используя новый метод метагеномики, микробиолог Дан Спес, ведущий автор исследования, изучил, какие другие организмы могут процветать в анаммокс-реакторе и какова их роль. Спес недавно защитил докторскую диссертацию в Университете Радбауд, частью которой стала эта работа.

23 организма

"Существует огромное разнообразие микроорганизмов, и мы действительно знаем лишь крошечную часть того, что есть. Под микроскопом эти организмы очень похожи, поэтому визуальная идентификация сложна. Кроме того, многие микробы даже не названы, поэтому мы используем секвенирование ДНК для их классификации. Для этого исследования мы взяли всю ДНК из реактора и отсортировали её по видам на основе специфических свойств последовательностей. С помощью этой техники мы смогли классифицировать 23 наиболее распространённых в реакторе организма и понять их функцию в системе".

Спес и его коллеги провели отдельный анализ как аэробной части биомассы, плавающей в жидкости, так и анаэробной биомассы в ядре комочков. Это помогло им идентифицировать и классифицировать ДНК. "Такой способ использования метагеномики ещё находится в зачаточном состоянии, и это одно из первых исследований, применивших его к целой экосистеме".

Микробная тёмная материя

Исследователи были удивлены, обнаружив, что большинство идентифицированных видов сильно отличаются от известных. "Большинство микробов, о которых мы много знаем, — это те, что хорошо растут на агаровых пластинах, но эта работа снова иллюстрирует, что существует целый мир, которому агар не очень нравится".

Пять видов, обнаруженных в анаммокс-реакторе, относятся к "микробной тёмной материи" — в значительной степени неисследованным областям древа жизни. "Мы мало что можем сказать об этих организмах, даже зная последовательность их ДНК", — объясняет Спес. "Всё, что мы можем уверенно сказать, — это то, что их геномы крошечные и, кажется, лишены всевозможных 'важных' генов. Моя интерпретация такова, что это микробные паразиты, питающиеся за счёт других в реакторе. Время и дальнейшие исследования покажут, так ли это и хорошо это или плохо".

Значение метагеномики для экологии

Если классическая генетика и геномика имеют дело с ДНК одного организма, то метагеномика рассматривает смесь ДНК всей микробной экосистемы. Таким образом можно изучать гены, присутствующие в экосистеме, что даёт представление о процессах, которые могут там происходить. "Ещё несколько лет назад это было пределом метагеномного анализа, но теперь мы можем начать связывать эти процессы с микробами, которые их катализируют. Это большой шаг к пониманию функционирования системы и управлению ею. Эти достижения возможны благодаря революционному улучшению технологии секвенирования ДНК и стратегий анализа", — говорит Спес. "Помимо лучшего понимания системы, это даёт окно в возможности 'микробной тёмной материи' без её выращивания в лаборатории. В конечном итоге нам нужно будет выращивать их, чтобы проверять теории, полученные в результате нашей метагеномной работы".