I disse reaktorer, designet til at fungere som miniaturespildevandsrensningsanlæg, tusindvis af arter af mikrober arbejder sammen om at nedbryde forurenende stoffer. Nanopartikler kan flytte balancen, ifølge en ny undersøgelse. Kredit:Virginia Tech
Miljøet vrimler med mikrober. Jord, vand, indendørs overflader, vores egne kroppe – ethvert habitat, der ikke er blevet strengt steriliseret, er befolket af tusindvis af arter af indbyrdes afhængige bakterier, vira, og andre mikroskopiske organismer.
Disse spind af mikrobiota er det biologiske grundlag for større økosystemer, og små skift i det mikrobielle samfund kan fremkalde seismiske skift i miljøet.
Nanopartikler er en af en lang liste af stoffer, der kan forstyrre dem, men at drille deres effekter er en sisyfisk opgave.
Disse samfund omfatter et svimlende antal mikrober, hvoraf mange ikke kan dyrkes i laboratoriet - og selvom de kunne, de komplekse interaktioner i mikrobielle samfund i den virkelige verden kan ikke reproduceres ved eksperimenter med kun få arter.
I et nyt papir i bladet Natur nanoteknologi , forskere fra Virginia Tech demonstrerer én måde at undersøge virkningen af nanopartikler på et bestemt mikrobiom:at se på DNA'et fra et helt mikrobielt samfund i stedet for på individuelle arter.
Strategien, kaldet metagenomisk analyse, sekvenserer DNA'et fra alle mikroberne i en prøve på én gang, giver et overblik over alle de gener, der fungerer i det miljø.
Resultaterne tyder på, at det er et nyttigt værktøj, følsomme nok til at fange ændringer, som andre metoder kan gå glip af - inklusive nogle, der kan have konsekvenser for folkesundheden.
I spidsen for holdet var Amy Pruden, W. Thomas Rice professor i ingeniørvidenskab, og civil- og miljøteknikprofessor Peter Vikesland. Begge er eksperter i komplekse miljøsystemer; Pruden studerer dynamiske mikrobielle samfunds roller, og Vikesland fokuserer i øjeblikket på nanoteknologiens indvirkning på miljøet.
I dette studie, forskerne så på mikrobielle samfund med aktiveret slam, som befolker rensningsanlæg og nedbryder forurenende stoffer i spildevand.
"Vi bruger den virkelige verden, komplekse samfund, dem, der er vigtige miljømæssigt, fordi de renser vores vand, " sagde Pruden.
Nanopartikler er mere og mere almindelige i spildevand, skyllet ind fra en voksende liste af produkter, der omfatter alt fra skumfiduser til medicinsk udstyr.
Nanopartiklerne brugt i undersøgelsen var guldkugler og stænger syntetiseret i Catherine Murphys laboratorium, en professor i kemi ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Forskerholdet introducerede disse nanopartikler i en reaktor i laboratorieskala, der simulerer et spildevandsrensningsanlæg, og kørte en metagenomisk analyse efter syv dage og en anden efter 56 dage.
Det viste sig, at nanopartiklerne ændrede fordelingen af gener i det aktiverede slam-mikrobielle samfund, og at sfæriske nanopartikler havde en større indflydelse end stavlignende.
Blandt de gener, der blev påvirket, var dem, der hjælper smitsomme bakterier med at undgå antibiotika.
Spildevandsrensningsanlæg er blevet identificeret som et reservoir for antibiotikaresistensgener, der til sidst finder vej til miljøet, hvor de udgør en stigende risiko for folkesundheden.
Over otte ugers eksponering for guld nanopartikler, det samlede antal antibiotikaresistensgener i prøven holdt stabilt, men fordelingen af disse gener – dvs. hvilke antibiotika de vogter sig imod - skiftede. Forskerne bemærkede også ændringer i gener, der gør det muligt for bakterier at modstå eksponering for metaller, som normalt er cytotoksiske.
I mellemtiden identiteten af en kemisk belægning i nanopartiklerne medførte ikke de samme genetiske ændringer.
"De overraskende resultater af denne undersøgelse - at nanopartikelform kan påvirke mikrobiel samfundsstruktur i højere grad end overfladeegenskaber bibragt af belægninger - har betydelige implikationer, ikke kun for at informere det sikrere design af nanomaterialer og afbøde utilsigtede påvirkninger af økosystemer og folkesundhed, men også at forberede spildevandsrensningsanlæg til et potentiale, relativt overset voksende udfordring, " sagde Pedro Alvarez, George R. Brown professor i civil- og miljøteknik ved Rice University.
Alvarez studerer miljøanvendelser og implikationer af nanoteknologi, men var ikke involveret i denne forskning.
Belægningen på nanopartiklerne gjorde, imidlertid, påvirke deres fordeling mellem slammet og spildevandet. Det kan have miljømæssige konsekvenser:slammet i et spildevandsrensningsanlæg genanvendes og bruges igen, mens vandet slippes tilbage til miljøet.
Men hverken nanopartiklernes skiftende placering eller mikrobernes genetiske ændringer så ud til at påvirke effektiviteten til at nedbryde forurenende stoffer. Det fremhæver følsomheden af denne metagenomiske tilgang:at den måske er i stand til at fange subtile skift i et samfund, før de kan opfanges af enklere foranstaltninger, som et spildevandsrensningsanlægs ydeevne.
"Det er som en mikrobiel kanariefugl i kulminen, sagde Vikesland.
Pruden og Vikesland understreger, at meget mere forskning er nødvendig for at forstå, hvordan forskellige typer af nanopartikler påvirker mikrobielle samfund, og at det ikke er klart, om de ændringer, de så i antibiotikaresistensgener, er dem, der ville udgøre en risiko for folkesundheden.
"Vi samarbejder med professorer i datalogi for at tage denne metagenomiske risikovurderingstilgang til næste niveau, " sagde Pruden. De arbejder på at skabe et værktøj, der kan hjælpe med at vurdere, hvilke genetiske ændringer der kan være problematiske.
Den vigtigste konklusion, siger forskerne, er, at disse resultater tyder på, at metagenomisk analyse kan give værdifuld information om virkningerne af nanopartikler på et komplekst mikrobielt økosystem.
"Metagenomikken siger, at der er et signal, " sagde Vikesland. "Lige nu ved vi ikke, hvad de virkelige implikationer af dette signal er, men der er tydeligvis noget der."