Διερεύνηση μικροβιακών κοινοτήτων ικανών να αποδομούν μικρορύπους
Authors: Ναβροζίδου Ευσταθία 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά λεπτομερής διερεύνηση των μικροβιακών κοινοτήτων που ήταν σε θέση να αποδομούν φαρμακευτικές και αντισηπτικές ενώσεις, όπως τα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα, ιβουπροφαίνη και δικλοφαινάκη, καθώς και το ευρέως χρησιμοποιούμενο συστατικό προϊόντων ατομικής περιποίησης, την τρικλοσάνη. Ειδικότερα, σε βιοαντιδραστήρες ακινητοποιημένης βιομάζας εφαρμόστηκε διαδικασία εμπλουτισμού με τη χρήση υγρού αποβλήτου, το οποίο περιείχε ιδιαιτέρως υψηλή συγκέντρωση ιβουπροφαίνης, δικλοφαινάκης ή τρικλοσάνης, προκειμένου να ευνοηθούν εκείνοι οι πληθυσμοί μικροοργανισμών της ενεργού ιλύος που έχουν την ικανότητα να τις καταβολίζουν, αποκαλύπτοντας συνεπώς τα βιολογικά συστατικά της ιλύος που επιτελούν τη διάσπαση τέτοιων μικρορύπων. Κατά την επεξεργασία υγρού αποβλήτου υψηλής περιεκτικότητας σε ιβουπροφαίνη, δικλοφαινάκη ή τρικλοσάνη, διαπιστώθηκε η ικανότητα του βιοαντιδραστήρα ακινητοποιημένης βιομάζας να επιτυγχάνει την απομάκρυνση των ενώσεων αυτών σε ποσοστό 98,4 ± 0,3%, 97,63 ± 0,62% και 99,99 ± 0,01%, αντίστοιχα, καθώς και την τάση της εμπλουτισμένης/προσαρμοσμένης βιομάζας να οξυνίζει το ανακυκλοφορούμενο υγρό απόβλητο, γεγονός που προκάλεσε κατά την επεξεργασία τους την αναστολή της διεργασίας της νιτροποίησης. Η εφαρμογή τεχνικών Illumina αλληλούχισης αποκάλυψε την αύξηση στη σχετική αφθονία των βακτηρίων των φύλων Alphaproteobacteria και Gammaproteobacteria (από 29,1 σε 80,8%) και μια σημαντική μείωση της σχετικής αφθονίας των Bacteroidetes, Planctomycetes και Verrucomicrobia (από 42,7% σε 2,1%), όταν καθαρή ιβουπροφαίνη χρησιμοποιήθηκε ως μοναδική πηγή άνθρακα στο υγρό απόβλητο που εισερχόταν στον βιοαντιδραστήρα, σε σχέση με τη χρήση υγρού αποβλήτου που περιείχε εμπορικό σκεύασμα ιβουπροφαίνης. Αυτή η μεταβολή στις συνθήκες τροφοδοσίας είχε ως αποτέλεσμα την επικράτηση βακτηρίων των γενών Novosphingobium και Rhodanobacter (25,5 ± 10,8% και 25,2 ± 3,0% αντίστοιχα), αναδεικνύοντας την παρουσία εντός της ενεργού ιλύος μιας εξειδικευμένης βακτηριακής κοινότητας που μεταβόλιζε αποτελεσματικά την ιβουπροφαίνη. Ο πληθυσμός μυκήτων που επικράτησε κατά την τροφοδοσία του συστήματος ακινητοποιημένης βιομάζας με υγρό απόβλητο υψηλής περιεκτικότητας σε ιβουπροφαίνη αποτελούταν από στελέχη των γενών Cladophialophora, Wickerhamiella, Exophiala και Rhinocladiella, τα οποία παρουσιάζουν την ικανότητα να βιοδιασπούν δυσκόλως αποδομήσιμες αρωματικές ενώσεις. Αυτή είναι η πρώτη αναφορά σε βιολογικό σύστημα συνεχούς ροής, το οποίο ήταν σε θέση να διασπά αποτελεσματικά την ιδιαιτέρως υψηλή συγκέντρωση ιβουπροφαίνης. Παρά το γεγονός ότι η δικλοφαινάκη έχει συμπεριληφθεί στον ευρωπαϊκό κατάλογο ουσιών προτεραιότητας (priority hazardous substances), οι έρευνες που εστιάζουν στη βιοαποδόμηση της είναι εξαιρετικά περιορισμένες, όπως και η διερεύνηση των μικροοργανισμών εκείνων που την επιτελούν. Μέσω της χρήσης τεχνικών μαζικής αλληλούχισης διερευνήθηκε η δομή των μικροβιακών κοινοτήτων της ενεργού ιλύος που ήταν ικανές να διασπούν τη δικλοφαινάκη. Η εξειδικευμένη αυτή βακτηριακή κοινότητα αποτελούνταν κυρίως από μέλη των ειδών Granulicella pectinivorans και Rhodanobacter terrae, καθώς και από μέλη των ειδών Castellaniella denitrificans, Parvibaculum lavamentivorans, Bordetella petrii, Bryocella elongata και Rhodopseudomonas palustris. Η δυνατότητα των μικροοργανισμών αυτών να χρησιμοποιούν ένα ευρύ φάσμα πηγών άνθρακα, μεταξύ αυτών και η ιβουπροφαίνη, καθώς και η ικανότητα τους να αναπτύσσονται υπό όξινες συνθήκες, αποτέλεσαν τις κύριες παραμέτρους που ευνόησαν την επικράτησή τους στον βιοαντιδραστήρα ακινητοποιημένης βιομάζας. Επιπλέον, κατά τη διερεύνηση των κοινοτήτων μυκήτων, η επικράτηση στελεχών του γένους Wickerhamiella υποδεικνύει την ενεργή συμμετοχή τους στη βιολογική αποδόμηση της δικλοφαινάκης στο εξεταζόμενο βιολογικό σύστημα.Διερευνήθηκε επίσης για πρώτη φορά η σύσταση της μικροβιακής κοινότητας της ενεργού ιλύος που ήταν σε θέση να αποδομεί την αντισηπτική ουσία τρικλοσάνη. Με εξαίρεση στελέχη της οικογένειας Bradyrhizobiaceae, όπου η σχετική αφθονία τους υπερέβαινε το 10%, ήτοι το 16,77 ± 6,44%, η κοινότητα των βακτηρίων στον βιοαντιδραστήρα ακινητοποιημένης βιομάζας αποτελούνταν από ένα σημαντικό αριθμό ειδών, περίπου 20, των οποίων η σχετική αφθονία κυμαινόταν μεταξύ 6,99 ± 0,47% (Ferruginibacter spp.) και 1,20 ± 0,04% (Rhodopila spp.), γεγονός που υποδεικνύει ότι εντός της ενεργού ιλύος ευρίσκεται πληθυσμός βακτηρίων με ευρεία ποικιλότητα που έχει την ικανότητα να βιοδιασπά την τρικλοσάνη.Τέλος, με τη χρήση καλλιεργητικών μεθόδων, απομονώθηκαν δεκατρία στελέχη βακτηρίων που χρησιμοποιούσαν την ιβουπροφαίνη ως μοναδική πηγή άνθρακα και ενέργειας. Βάσει της φυλογενετικής ανάλυσης, τα στελέχη βακτηρίων που ήταν ικανά να την αποδομούν συσχετίζονταν φυλογενετικά με τα γένη Cupriavidus, Sphingobium, Sphingomonas, Caulobacter, Xanthobacter και Bosea. Με εξαίρεση τα στελέχη που τοποθετήθηκαν στο γένος Sphingomonas, είναι η πρώτη φορά που μέλη των παραπάνω γενών παρουσίασαν την ικανότητα να βιοδιασπούν την ιβουπροφαίνη. Επιπροσθέτως, το στέλεχος SF-10 ήταν το πλέον ικανό να βιοδιασπά την ιβουπροφαίνη, αφού μείωνε τη συγκέντρωση της κατά 95,55 ± 1,78%. Ο μέγιστος ρυθμός διάσπασης της ιβουπροφαίνης από το στέλεχος SF-10, που ανήκε στο γένος Sphingobium, καταγράφηκε σε θερμοκρασία 28 οC και pH 6. Συμπερασματικά, η ενεργός ιλύ περικλείει μια εξειδικευμένη ποικιλότητα μικροοργανισμών, τόσο βακτηρίων όσο και μυκήτων, που συμμετέχουν στη βιοδιάσπαση μη στεροειδών αντιφλεγμονωδών φαρμάκων και προϊόντων ατομικής περιποίησης, που ολοένα και περισσότερο συσσωρεύονται στο περιβάλλον.