Структурно-функциональные особенности анаэробного микробного сообщества, возникающие при контакте с отходами из пенополистирола

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Растущее загрязнение пластиками представляет собой серьезную экологическую проблему, поскольку широкое производство и неадекватная утилизация пластиковых материалов приводят к неблагоприятному воздействию на экосистемы. В работе исследованы структурно-функциональные особенности анаэробного микробного сообщества при контакте с отходами из пенополистирола (ВПС) в метаногенных (МГ), нитрат- (НР) и сульфатредуцирующих (СР) условиях. Показано, что присутствие ВПС в микробном сообществе не оказывает негативного влияния на процессы образования биогаза, а наоборот, приводит к увеличению выхода метана и летучих жирных кислот и изменению их соотношения. В культуральной жидкости вариантов с ВПС обнаружены микрочастицы разного размера: в НР условиях – 2.4 × 106/мл, в СР условиях – 1.2 × 106/мл и в МГ условиях – 0.4 × 106/мл, тогда как в контрольных вариантах без клеток микрочастицы обнаружены не были. Методом сканирующей электронной микроскопии выявлено, что во всех опытных вариантах поверхность полимера стала более рыхлой, рельефной, появились неровности, трещины и отверстия. Рост разнообразия в микробном сообществе, связанный с увеличением числа микробных морфотипов, коррелирует с результатами высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК. При внесении ВПС в анаэробное сообщество, инкубируемое в разных донорно-акцепторных условиях, повысилось число входящих в него групп микроорганизмов и увеличилась доля представителей гидролитических и ацидогенных бактерий (Sedimentibacter, Lentimicrobium), ацетогенных синтрофов (Syntrophomonas, Desulfovibrio, Geobacter) и метаногенных архей (Methanosarcina, Methanobacterium). Наше исследование показывает, что отходы из ВПС не являются инертными для микробного сообщества, и контакт с ними приводит к существенным перестройкам в его структуре и функционировании. Обнаруженные изменения поверхности образца, появление микрочастиц и различия в составе промежуточных и конечных продуктов метаболизма сообщества могут свидетельствовать о медленной частичной деструкции путем фрагментации этого вида отходов. Однако поскольку для опытов был взят бытовой ВПС, содержащий кроме основного полимера различные наполнители, то есть вероятность, что наряду с полистиролом деградации подвергаются и входящие в его состав дополнительные вещества (пластификаторы, красители и т.д.). Способность микроорганизмов к деструкции самого полимера требует дальнейших исследований.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. И. Ширинкина

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: pro100tilka@gmail.com
Россия, 119234, Москва

Ю. В. Тактарова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: pro100tilka@gmail.com
Россия, 119234, Москва

М. А. Гладченко

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: pro100tilka@gmail.com
Россия, 119234, Москва

А. Ю. Меркель

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук

Email: pro100tilka@gmail.com

Институт микробиологии им. С. Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

И. Б. Котова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: pro100tilka@gmail.com
Россия, 119234, Москва

Список литературы

  1. Бакирова И. Н., Зенитова Л. А. Газонаполненные полимеры: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. 105 с.
  2. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов: коллективная монография / Общая ред. и составл. А.Н. Ножевникова, А.Ю. Каллистова, Ю.В. Литти, М.В. Кевбрина. М.: Университетская книга, 2016. 320 с.
  3. Журина М. В., Богданов К. И., Ганнесен А. В., Мартьянов С. В., Плакунов В. К. Микропластики – новая экологическая ниша в пластисфере для мультивидовых микробных биопленок // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 131‒149.
  4. Zhurina M. V., Bogdanov K. I., Gannesen A. V., Mart’yanov S.V., Plakunov V. K. Microplastics as a new ecological niche for multispecies microbial biofilms within the plastisphere // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 107‒123.
  5. Клинков А. С., Беляев П. С., Скуратов В. К., Соколов М. В., Однолько В. Г. Утилизация и вторичная переработка тары и упаковки из полимерных материалов: учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамбовского гос. техн. ун-та, 2010. 100 с.
  6. Котова И. Б., Тактарова Ю. В., Цавкелова Е. А., Егорова М. А., Бубнов И. А., Малахова Д. В., Ширинкина Л. И., Соколова Т. Г., Бонч-Осмоловская Е.А. Микробная деградация пластика и пути ее интенсификации // Микробиология. 2021. Т. 90. С. 627‒659.
  7. Kotova I. B., Taktarova Y. V., Tsavkelova E. A., Egorova M. A., Bubnov I. A., Malakhova D. V., Shirinkina L. I., Bonch-Osmolovskaya E.A., Sokolova T. G. Microbial degradation of plastics and approaches to make it more efficient // Microbiology (Moscow). 2021. V. 90. P. 671‒701.
  8. Линькова Ю. В., Дьяконова А. Т., Гладченко М. А., Калюжный С. В., Котова И. Б., Стамс А., Нетрусов А. И. Метаногенная деструкция (амино)ароматических веществ анаэробными микробными сообществами // Прикл. биохимия и микробиология. 2011. Т. 47. С. 558–565.
  9. Lin’kova Y.V., Dyakonova A. T., Kotova I. B., Netrusov A. I., Gladchenko M. A., Kalyuzhnyi S. V., Stams A. Methanogenic degradation of (amino)aromatic compounds by anaerobic microbial communities // Appl. Biochem. Microbiol. 2011. V. 47. P. 507–514.
  10. Литти Ю. В., Русскова Ю. И., Журавлева Е. А., Паршина С. Н., Ковалев А. А., Ковалев Д. А., Ножевникова А. Н. Электрометаногенез – перспективная биотехнология анаэробной переработки органических отходов (обзор) // Прикл. биохимия и микробиология. 2022. T. 58. № 1. С. 23‒43.
  11. Litti Y. V., Russkova Y. I., Zhuravleva E. A., Parshina S. N., Nozhevnikova A. N., Kovalev A. A., Kovalev D. A. Electromethanogenesis: a promising biotechnology for the anaerobic treatment of organic waste // Appl. Biochem. Microbiol. 2022. V. 58. P. 19‒36.
  12. Малкин А. Я., Вольфсон С. А., Кулезнев В. Н., Файдель Г. И. Полистирол. Физико-химические основы получения и переработки. М: Химия, 1975. 288 с.
  13. Плакунов В. К., Ганнесен А. В., Мартьянов С. В., Журина М. В. Биокоррозия синтетических пластмасс: механизмы деградации и способы защиты // Микробиология. 2020. Т. 89. №6. С. 631–645.
  14. Plakunov V. K., Gannesen A. V., Mart’yanov S.V., Zhurina M. V. Biocorrosion of synthetic plastics: degradation mechanisms and methods of protection // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 647‒659.
  15. Ярцев В. П., Андрианов К. А., Иванов Д. В. Физико-механические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений: учебное пособие. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. 120 с.
  16. Ba Ho T., Roberts T. K., Lucas S. An overview on biodegradation of polystyrene and modified polystyrene: the microbial approach // Crit. Rev. Biotechnol. 2018. V. 38. P. 308‒320.
  17. Berdugo-Clavijo C., Dong X., Soh J., Sensen C. W., Gieg L. M. Methanogenic biodegradation of two-ringed polycyclic aromatic hydrocarbons // FEMS Microbiol. Ecol. 2012. V. 81. P. 124–133.
  18. Billard J., Boucher G. The challenges of measuring plastic pollution // Field Actions Sci. Rep. 2019. V. 19. P. 68‒75.
  19. Bolyen E., Rideout J. R., Dillon M. R., Bokulich N. A., Abnet C. C., Al-Ghalith G.A., Alexander H., Alm E. J., Arumugam M., Asnicar F., Bai Y., Bisanz J. E., Bittinger K., Brejnrod A., Brislawn C. J., Brown C. T., Callahan B. J., Caraballo-Rodríguez A.M., Chase J., Caporaso J. G. Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome data science using QIIME2 // Nat. Biotechnol. 2019. V. 37. P. 852 –857.
  20. Bradford M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. V. 7. P. 248–254.
  21. Cao D., Wang X., Luo X., Liu G., Zheng H. Effects of polystyrene microplastics on the fitness of earthworms in an agricultural soil. 3rd Int. conf. on Energy Materials and Environment Engineering. Thailand, Bangkok, 2017. Conf. Ser. P. 61.
  22. Chauhan D., Agrawal G., Deshmukh S., Roy S. S., Priyadarshini R. Biofilm formation by Exiguobacterium sp. DR11 and DR14 alter polystyrene surface properties and initiate biodegradation // RSC Adv. 2018. V. 8. P. 37590–37599.
  23. Choi H. J., Ju W. J., An J. J. Impact of the virgin and aged polystyrene and polypropylene microfibers on the soil enzyme activity and the microbial community structure // Water Air Soil Pollut. 2021. V. 232. Art. 322.
  24. Crable B. R., Sieber J. R., Mao X., Alvarez-Cohen L., Gunsalus R., Ogorzalek L. R.R., Nguyen H., McInerney M.J. Membrane complexes of Syntrophomonas wolfei involved in syntrophic butyrate degradation and hydrogen formation // Front. Microbiol. 2016. V. 7. Art. 1795.
  25. Dhar K., Sudharsanam A., Tanmoy S., Kadiyala V., Mallavarapu M. Anaerobic biodegradation of phenanthrene and pyrene by sulfate-reducing cultures enriched from contaminated freshwater lake sediments // Environ. Res. 2023. V. 235. Art. 116616.
  26. Fadrosh D. W., Ma B., Gajer P., Sengamalay N., Ott S., Brotman R. M., Ravel J. An improved dual-indexing approach for multiplexed 16S rRNA gene sequencing on the Illumina MiSeq platform // Microbiome. 2014. V. 2. P. 1‒7.
  27. Field D. T., Green J. L., Bennett R., Jenner L. C., Sadofsky L. R., Chapman E., Loubani M., Rotchell J. M. Microplastics in the surgical environment // Environ. Int. 2022. V. 170. Art. 107630.
  28. Giacomucci L., Toja F., Sanmartín P., Toniolo L., Prieto B., Villa F., Cappitelli F. Degradation of nitrocellulose-based paint by Desulfovibrio desulfuricans ATCC13541 // Biodegradation. 2012. V. 23. P. 705–716.
  29. Gomes B. C., Adorno M. A., Okada D. Y., Delforno T. P., Lima Gomes P. C., Sakamoto I. K., Varesche M. B. Analysis of a microbial community associated with polychlorinated biphenyl degradation in anaerobic batch reactors // Biodegradation. 2014. V. 25. P. 797‒810.
  30. Hidayat T. R., Indrawati I., Herlina T. Biodegradation styrofoam by soil bacteria from Sarimukti Cipatat Bandung final disposal site // AL-Kaunivah Jurnal Biologi. 2020. V. 13. P. 218‒227. http://dx.doi.org/10.15408/kauniyah.v13i2.14529
  31. Hugerth L. W., Wefer H. A., Lundin S., Jakobsson H. E., Lindberg M., Rodin S., Engstrand L., Andersson A. F. DegePrime, a program for degenerate primer design for broad-taxonomic-range PCR in microbial ecology studies // Appl. Environ. Microbiol. 2014. V. 80. P. 5116‒5123.
  32. Kim B. H., Kim H. Y., Kim T. S., Park D. H. Selectivity of desulfurization activity of Desulfovibrio desulfuricans M6 on different petroleum products // Fuel Process. Technol. 1995. V. 43. P. 87‒94.
  33. Ko K., Chung H., Kim W., Kim M.-J. Effects of different sizes of polystyrene micro(nano)plastics on soil microbial communities // NanoImpact. 2023. V. 30. Art. 100460.
  34. Liang B., Kong D., Qi M., Yun H., Li Z., Shi K., Chen E., Vangai A. S., Wang A. Anaerobic biodegradation of trimethoprim with sulfate as an electron acceptor // Front. Environ. Sci. Engin. 2019. V. 13. Art. 84.
  35. Liu H., Yang X., Liu G., Liang C., Xue S., Chen H., Ritsema C. J., Geissen V. Response of soil dissolved organic matter to microplastic addition in Chinese loess soil // Chemosphere. 2017. V. 185. P. 907‒917.
  36. Logan B. E., Rossi R., Ragab A., Saikaly P. E. Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems // Nat. Rev. Microbiol. 2019. V. 17. P. 307–319.
  37. Lucas N., Bienaime C., Belloy C., Queneudec M, Silvestre F., Nava-Saucedo J.E. Polymer biodegradation: mechanisms and estimation techniques: a review // Chemosphere. 2008. V. 73. P. 429–442.
  38. Merkel A. Y., Tarnovetskii I. Y., Podosokorskaya O. A., Toshchakov S. V. Analysis of 16S rRNA primer systems for profiling of thermophilic microbial communities // Microbiology (Moscow). 2019. V. 88. P. 671–680.
  39. Metsalu T., Vilo J. ClustVis: a web tool for visualizing clustering of multivariate data using Principal Component Analysis and heatmap // Nucl. Acids Res. 2015. V. 43. P. 566‒570.
  40. Mor R., Sivan A. Biofilm formation and partial biodegradation of polystyrene by the actinomycete Rhodococcus ruber: biodegradation of polystyrene // Biodegradation. 2008. V. 19. P. 851–858.
  41. Muller R.-J. Biodegradability of polymers: regulations and methods for testing // Biopolymers Online. 2005. V. 12. P. 365–388.
  42. Naz I., Batool S., Ali N., Khatoon N., Atiq N., Hameed A., Ahmed S. Monitoring of growth and physiological activities of biofilm during succession on polystyrene from activated sludge under aerobic and anaerobic conditions // Environ. Monit. Assess. 2013. V. 185. P. 6881‒6892.
  43. Pannekens M., Voskuhl L., Mohammadian S., Köster D., Meier A., Köhne J. M., Kulbatzki M., Akbari A., Haque S., Meckenstock R. U. Microbial degradation rates of natural bitumen // Environ. Sci. Technol. 2021. V. 55. P. 8700‒8708.
  44. Plastics Europe https://www.plasticseurope.org/en/newsroom/events/2021
  45. Ragusa A., Svelato A., Santacroce C., Catalano P., Notarstefano V., Carnevali O., Papa F., Rongioletti M. C.A., Baiocco F., Draghi S., D’Amore E., Rinaldo D., Matta M., Giorgini E. Plasticenta: first evidence of microplastics in human placenta // Environ. Int. 2021. V. 146. Art. 106274.
  46. Rillig M. C. Microplastic disguising as soil carbon storage // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52. P. 6079‒6080.
  47. Ruimin Q., Jones D. L., Li Z., Liu Q., Yan C. Behavior of microplastics and plastic film residues in the soil environment: A critical review? // Sci. Total Environ. 2020. V. 703. Art. 134722.
  48. Shi Y., Wang S., Wang H., Li Z., Cai J., Han Q., Zhao M. Diversity and succession of microbial communities on typical microplastics in Xincun Bay, a long-term mariculture tropical lagoon // Int. J. Oceanogr. Hydrobiol. 2022. V. 51. P. 10‒22.
  49. Sklyar V., Kalyuzhnyi S., Mosolova T., Kucherenko I., Russkova J., Degtyaryova N. Methanogenic biodegradation of aromatic amines // Water Sci. Technol. 2000. V. 42. P. 363–370.
  50. Song J., Hao G., Liu L., Zhang H., Zhao D., Li X., Yang Z., Xu J., Ruan Z., Mu Y. Biodegradation and metabolic pathway of sulfamethoxazole by Sphingobacterium mizutaii // Sci. Rep. 2021. V. 11. Art. 23130.
  51. Syranidou E., Karkanorachaki K., Amorotti F., Franchini M., Repouskou E., Kaliva M., Vamvakaki M., Kolvenbach B., Fava F., Corvini P., Kalogerakis N. Biodegradation of weathered polystyrene films in seawater microcosms // Sci. Rep. 2017. V. 7. Art. 17991.
  52. Tan K. M., Agzzas S. K., Noor A. B. Bacillus megaterium: a potential and an efficient bio-degrader of polystyrene // Braz. Arch. Biol. Technol. 2021. V. 64. Art. 1190321.
  53. Tourova T., Sokolova D., Nazina T., Grouzdev D., Kurshev E., Laptev A. Biodiversity of microorganisms colonizing the surface of polystyrene samples exposed to different aqueous environments // Sustainability. 2020. V. 12. Art. 3624.
  54. Vaksmaa A., Knittel K., Asbun A. A., Goudriaan M., Ellrott A., Witte H. J., Vollmer I., Meirer F., Lott C., Weber M., Engelmann J. C., Niemann H. Microbial communities on plastic polymers in the Mediterranean Sea // Front. Microbiol. 2021. V. 12. Art. 673553.
  55. Vethaak A. D., Legler J. Microplastics and human health // Science. 2021. V. 371. P. 672‒674.
  56. Vlacil A.-K., Banfer S., Jacob R., Trippel N., Kuzu I., Schieffer B., Grote K. Polystyrene microplastic particles induce endothelial activation // PLoS One. 2021. V. 16. Art. 260181.
  57. Wang C., Wei W., Zhang Y. Dai X., Ni B. Different sizes of polystyrene microplastics induced distinct microbial responses of anaerobic granular sludge // Water Res. 2022. V. 220. Art. 118607.
  58. Wang J., Ma D., Feng K., Lou Y., Zhou H., Liu B., Xie G., Ren N., Xing D. Polystyrene nanoplastics shape microbiome and functional metabolism in anaerobic digestion // Water Res. 2022. V. 219. Arti. 118606.
  59. Wang T., Kuang B., Ni Z., Guo B., Li Y., Zhu G. Stimulating anaerobic degradation of butyrate via Syntrophomonas wolfei and Geobacter sulfurreducens: characteristics and mechanism // Microb. Ecol. 2023. V. 85. P. 535‒543.
  60. Wei W., Qiang H., Zhijie C., Teng B., Bing-Jie N. Polystyrene nanoplastics reshape the anaerobic granular sludge for recovering methane from wastewater // Water Res. 2020. V. 182. Art. 116041.
  61. Zee M. Biodegradability of polymers: mechanisms and evaluation methods. Ch. 1. // Handbook of biodegradable polymers. Sawbury (UK): Rapra Technology Limited, 2005. 534 p.
  62. Zhang J., Zhao M., Chao L., Miao H., Huang Z., Dai X., Ruan W. Evaluation the impact of polystyrene micro and nanoplastics on the methane generation by anaerobic digestion // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2020. V. 205. Art. 110095.
  63. Zhang K., Hamidian A. H., Tubić A., Zhang Y., J.K.H., Wu C., Lam P. K.S. Understanding plastic degradation and microplastic formation in the environment: a review // Environ. Pollut. 2021a. V. 274. Art. 116554.
  64. Zhang L., Tsui T.-H., Loh K.-C., Dai Y., Tong Y. W. Effects of plastics on reactor performance and microbial communities during acidogenic fermentation of food waste for production of volatile fatty acids // Bioresour. Technol. 2021b. V. 337. Art. 125481.
  65. Zhao W., Hu T., Ma H., He S., Zhao Q., Jiang J., Wei L. Deciphering the role of polystyrene microplastics in waste activated sludge anaerobic digestion: changes of organics transformation, microbial community and metabolic pathway // Sci. Total Environ. 2023. V. 901. Art. 166551.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (763KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Структурная формула ПС (Малкин и соавт., 1975).

Скачать (4KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Содержание белка в сообществе EPа в МГ (черный цвет), НР (светло-серый цвет) и СР условиях (темно-серый цвет); сплошная линия – опыт в присутствии ВПС; пунктирная линия – биологический контроль.

Скачать (25KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Динамика образования газов во флаконах с сообществом EPа в МГ условиях: белые столбики – опыт в присутствии ВПС, серые – биологический контроль.

Скачать (35KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Динамика образования газов во флаконах с сообществом EPа в НР условиях: белые столбики – опыт в присутствии ВПС, серые – биологический контроль.

Скачать (33KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Динамика образования газов во флаконах с сообществом EPа в СР условиях: белые столбики – опыт в присутствии ВПС, серые – биологический контроль.

Скачать (39KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Сканирующая электронная микроскопия поверхности ВПС: а ‒ химический контроль (среда без клеток); б – МГ условия; в – НР условия; г ‒ СР условия. Увеличение ×30.

Скачать (80KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Световая микроскопия культуральной жидкости микробного сообщества в присутствии ВПС: а ‒ химический контроль; б – МГ условия; в – НР условия; г – СР условия. Увеличение ×400.

Скачать (24KB)
Метаданные
10. Рис. 8. Тепловая карта распределения 38 доминантных таксономических единиц бактерий и архей по 4 библиотекам, представляющим микробные сообщества до и после контакта с ВПС. Представленность родов рассчитана как отношение количества ридов, принадлежащих представителям данного рода, к общему количеству ридов в соответствующей библиотеке.

Скачать (102KB)
Метаданные
11. Рис. 9. Тепловая карта распределения 10 доминантных таксономических единиц архей по 4 библиотекам, представляющим архейный компонент микробных сообществ до и после контакта с ВПС. Представленность родов рассчитана как отношение количества ридов, принадлежащих представителям данного рода, к общему количеству ридов в соответствующей библиотеке.

Скачать (38KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024