Первый в своём роде анализ микробной экосистемы очистных сооружений

Международная команда учёных из Translational Genomics Research Institute (TGen) и The Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) провела уникальный микробный анализ биологической станции очистки сточных вод. Исследование, опубликованное 26 ноября в журнале Nature Communications, имеет широкие последствия для защиты окружающей среды, рекуперации энергии и здоровья человека.

Методология и цель исследования

Для анализа экосистемы очистных сооружений исследователи применили методы системной биологии («омиксные» технологии: геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика) в сочетании с новыми биоинформатическими методами. Это позволило определить, какие организмы обитают в системе, их численность, генетический состав, активность и метаболические потоки, без необходимости изучения бактерий в чистых культурах.

Целью было не просто смоделировать экологию очистных сооружений, а понять факторы, определяющие видовой состав и баланс в этой экосистеме.

Ключевое открытие: бактерия Microthrix parvicella

Особое внимание привлекла бактерия Microthrix parvicella, чей геном был расшифрован двумя годами ранее. Зимой до 50% всех бактерий на поверхности резервуаров могут принадлежать к этому виду, несмотря на низкое содержание липидов в сточных водах в этот сезон.

Исследование показало, что Microthrix обладает 28 копиями гена, ответственного за поглощение липидов. Амплификация этого гена демонстрирует критическую важность накопления липидов для этого организма.

«Microthrix — это то, что экологи называют генералистом. Организм может адаптироваться к очень многим условиям жизни и тем самым доминировать в высокофлуктуирующей экосистеме очистных сооружений», — говорит доктор Пол Уилмес, старший автор исследования.

Каждая из 28 копий гена немного отличается, что позволяет бактерии переключаться между ними при изменении условий (температуры, состава липидов), обеспечивая выживание в различных средах.

Практическое значение и перспективы

Прикладная цель исследования — усилить активность Microthrix для максимального удаления липидов из сточных вод. Эти липиды, накопленные в бактериях, являются возобновляемым источником энергии, так как могут быть легко преобразованы в биодизель.

Исследование также подтверждает и объединяет экологические концепции, ранее сформулированные для макросистем (леса, реки, океаны), которые невозможно глубоко изучить экспериментально.

Как отметил доктор Лэнс Прайс, соавтор исследования, такая работа с экосистемами имеет и важное медицинское значение: «Микробиом человека — это схожее сообщество микробов. Его системный анализ приведёт к открытиям как для здоровья человека, так и для прикладных решений в области устойчивой энергетики».