评论文章

前面。环绕。化学。,09 May 2023
秒。环境分析方法
卷4 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fenvc.2023.1052697

宏基因组:一个新兴的化学环境修复的工具

Nnanake-Abasi o . Offiong ¹*^__ ^‡, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

John b . Edet² ^__ ^‡,

所罗门大肠Shaibu ³ ^‡,

Nyaknno e·阿坎人 ⁴, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Edidiong o . Atakpa⁵ ^‡,

爱德蒙Sanganyado ⁶*^‡, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Imeh j . Okop⁷ ^‡, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Nsikak美国本森^1,8 ^‡和

安东尼Okoh ⁹

¹Topfaith大学化学学系Mkpatak,尼日利亚
²化学和过程工程系,格拉斯哥,英国斯特拉斯克莱德大学
³大学化学系Uyo Uyo,尼日利亚
⁴伊巴丹大学化学系,尼日利亚伊巴丹
⁵舟山海洋大学,浙江大学,浙江,中国
⁶应用科学,诺森布里亚大学,英国泰恩河畔的纽卡斯尔
⁷印度木棉邦州大学化学系Ikot Akpaden,尼日利亚
⁸des研究所科学Analytiques大学克劳德·伯纳德•里昂1,法国维勒班
⁹SAMRC微生物水质监测中心,黑尔堡大学爱丽丝,南非

宏基因组遗传信息的研究,包括微生物的基因组序列和出现在一个环境中。自1998年以来,这一技术的全面应用环境化学带来了重大的进步的特征污染物的性质和化学成分/分布矩阵存在于环境污染的矫正和/或网站。本的关键微生物的选择作出了显著贡献这个生物治疗的成功。宏基因组经历了不同的发展阶段,范围从最初的测序策略,下一代测序(门店),这是一个最近开发的技术来获得更健壮的脱氧核糖核酸(DNA)的微生物缺乏嵌合序列从而降低宏基因组数据的质量。因此,本文的目的是评估的应用宏基因组在环境化学污染物动力学的理解修复研究。同时,本文介绍了微生物的生物学特性之间的关系和化学性质的化合物,生物修复的基础和可能是有用的在发展中预测模型可以提高修复效率。总之,宏基因组技术改进的化学污染物在环境的描述和提供了一个有用的预测的相关类型的污染物在不同环境矩阵。

1介绍

环境的化学成分矩阵是有用的在描述交互的本质,自然环境的变化,生物的健康以及某些人类活动导致的全球变暖等现象。描述环境的化学成分可以是定性的,要求鉴定的化合物存在,或定量,测定分析物的浓度。的传统方法确定环境的化学成分包括收集的样本,从矩阵中提取目标污染物进入解决方案,和测量感兴趣的分析物的浓度使用适当的设备。重要的是要知道类型的污染物及其浓度矩阵,随着自然环境已成为沉到化合物,可以追溯到工业废水,排放,和其他人为活动。这对生物体构成健康风险的自然环境的平衡逐渐被改变的时候,最后到各种疾病和其他压力。允许的影响巨大的化学污染物在环境中积累。这范围从深远的影响包括故障敏感器官的生物环境,干扰生物体所需的自然过程,消耗氧气对各种生物过程、竞争增长所需的必需营养素,或干扰粮食生产在一个生态系统,在别人。这些有害的影响不仅受到环境中的植物和动物,但这些也扩展到人类通过直接摄入受污染的水,contaminant-laden空气吸入,皮肤接触受污染的土壤,和/或间接通过食用植物和动物,这些污染物从环境中吸收。

虽然了解环境的命运、运输和毒性的化学污染物在环境风险评价是至关重要的,同样重要的是开发有效的方法去除污染物的环境而不损害生物体或环境本身。微生物的遗传信息的指纹已经被广泛地应用于特定的环境中的化学污染物,作为先决条件选择作为一个潜在的生物修复剂生物出现在无数的环境。这可能归因于其丰度和多样性的增加,以及它们在生物地球化学循环中的作用的化合物(Hemme et al ., 2010)。

在这方面,宏基因组,这是一个技术术语的基因档案评估微生物作为一种获取详细信息的功能和微生物基因组序列中存在一个环境提供了一种可靠的描述不同的化学污染物修复的目的。值得注意的是,在环境中化学污染物的水平是不固定的,因此预计会有波动的真正价值随着时间的推移,这些污染物由于不同程度的人为活动和一些自然过程,影响环境中这些污染物的浓度。此外,宏基因组分析提供了一种评估生态系统对这些环境变化的响应,提供详细的微生物的自适应特征矩阵(Hemme et al ., 2010)。有趣的是,大量的某些微生物在污染环境中被用来预测特定化合物的主要污染物。这是因为某些微生物被发现一直聚集在位置特定的化学污染物占主导地位。例如,已经建立了一个正相关的相对丰度之间acidobacteria和砷等重金属的浓度,环境中的汞和铜(徐et al ., 2022)。

虽然某些微生物的分布增加一些化合物的存在,有损耗的情况是观察到的其他化学污染物。据报道,一个典型的例子是负面趋势之间存在acidobacteria, planctomycetes,变形菌门和铬化合物的水平(太阳et al ., 2019)。之间的这种相关性大量的微生物和化学污染物的浓度表明这些生物体的存在可能会影响性质、组成和分布等污染物的生态系统。科学解释的关系仍不清楚;因此,这将是有趣的调查之间的相关性存在大量的微生物和环境中的化学污染物的浓度。这将在以后的章节中详细讨论。最近的研究表明,宏基因组已经被用于探索柴油污染土壤的生物修复在加拿大(Yergeau et al ., 2012),在印度的沉积物中多环芳烃的降解(Gosai et al ., 2022通过同位素探测),提高生物修复(Uhlig et al ., 2013)和使用可栽培的和non-culturable微生物物种(万尼et al ., 2022),在其他的研究中不同的评论文章(贝尔et al ., 2012;Techtmann和海森,2016年;达塔et al ., 2020)。

为了提供这一趋势在文献报道的概述,表1总结了化学污染物的浓度之间的关系和微生物的数量,表2提出了选择宏基因组分析与环境化学成分有关。这些分析的目的,范围从简单的生物功能或微生物分布预测的生化机制,主要是用来解释复杂的生物修复等过程。生物修复是有效的,必须有利于环境条件的生化过程和微生物之间的相互作用,污染物,营养,和电子受体/捐助者(Sturman et al ., 1995)。这是因为原位可以生物降解等因素限制污染物的生物利用度,微生物和污染物之间的接触时间以及bioaccessibility (吉尔et al ., 2014)。这意味着生物降解过程可能会发生在地下被污染的环境中,但不是在利率预计将降低风险的网站(吉尔et al ., 2014)。

表1

表1。微生物中发现不同的污染环境。

表2

表2。选择宏基因组分析与环境化学成分有关。

因此,围绕本文的好奇心包括以下问题:(I)为什么某些微生物显示高公差与增加一些化合物的浓度但枯竭在其他化合物的存在吗?(2)环境中的微生物分解化合物如何和它如何影响他们的代谢活动吗?(3)自适应功能做什么微生物具有负责增加耐高水平的化学污染物在环境中?(IV)微生物的基因序列可以用来预测存在或程度的宽容到特定环境中的化学污染物?这些问题的答案可能遗传信息之间建立一种趋势的微生物和化学污染物在环境中,确定结构和代谢变化发生在适应增加的化学污染物水平以及建立一个微生物的遗传信息和耐受度之间的关系对某些化合物可用于开发理论模型来预测修复效率。

2简介宏基因组作为预测工具的环境化学家

尽管宏基因组技术的重要性,研究化学污染物的生物修复,微生物的基因信息不提供的直接定量测定环境中化学污染物的水平。相反,它测量废水的微生物群落数量或受污染的矩阵(Sharma et al ., 2021 b)。这意味着一个脱氧核糖核酸(DNA)图书馆的发展污染环境需要识别污染物存在的类型和浓度使用标准化学程序推荐适合的类型污染物存在或怀疑。在本文中,我们强调的应用宏基因组技术和DNA库来自不同环境的矩阵的发展援助的可能的预测可能分布或化学污染物的存在。此外,微生物的生物修复被选为代理宽容对目标污染物的高浓度有毒有机化合物,可以分解更少的有毒成分。推测周围这种行为提出的进化分析表明,横向基因转移(LGT)可以发挥重要作用(Hemme et al ., 2010),这可能是由于质粒等移动遗传成分的存在,整合子和插入序列(罗et al ., 2017)。这些提供的基础上利用微生物修复的化学污染物的环境。此外,研究表明,这些微生物的自适应特征在不同的媒体是一个必要的要求选择类型的微生物生物修复(戴尔'Anno et al ., 2023;Gosai et al ., 2022;Sharma et al ., 2021 a)。

为了提供一个良好定义的角度审查和独特性的信息,调查相关的评论文章宏基因组分析的化学污染物在环境中出现除了研究文章发表在过去的2年。特别关注的区域连接到环境中的化学污染物的生物修复。一些评论文章发表几乎每年都从2004年到2021年在主题区域被发现(图1)。这个搜索是必要的,使识别的领域没有被覆盖在这些评论以及连接宏基因组分析环境样品的不同角度讨论的评论文章。这是提供一个全面的视图技术在环境分析中的应用。在图1,它可以观察到,评论文章采样的数量从71人口的出版物在田间观察增加近年来(2015 - 2021)2004 - 2008年相比,这是一个迹象表明增加兴趣的研究领域。出版物是通过搜索通过谷歌学术搜索和斯高帕斯数据库使用关键词如“宏基因组”;“环境修复”,“环境分析”,“环境样本”。微生物中发现的概述不同的污染环境了表1(趋势表示是基于结果报告,而不是统计学意义)。然而,详细的微生物的遗传信息之间的关系和水平的化合物在环境中仍然缺乏。中给出的评论文章图1由不同的宏基因组领域,虽然有一些重叠的概念。然而,每个评论文章可能被视为整个字段的子集的宏基因组需要连接估计研究的深度进行了在这一领域以及评估差距,仍需进一步研究,这是本文的重点。

图1

图1。情节审查论文数量宏基因组分析环境样品和出版年(抽样审查论文的总数是71)。

因此,这项工作的主要目的是评估发展中DNA库不同的化学污染物的进步在过去的2年,识别影响研究在这一领域的主要挑战以及领域仍需要深入研究。这将有助于建立微生物之间存在的相关性和化合物占了它们在生物修复的使用,跟踪进展不同矩阵过去2年来,以及挑战和研究需求,限制了科技进步在这一领域的研究。这可能是一个积极的一步优化生物修复的过程以及用于研究人员感兴趣的发展预测模型可以提高化学污染物的修复环境。

3状态的艺术

的变化和发展的收集、存储和宏基因组分析环境样品,在这一节中讨论。获得的结果的可靠性和准确性的分析环境样品明显依赖抽样计划,储存条件,收集样本和分析之间的时间,以及使用的分析方法。如果任何这些步骤有可能由于某种原因而泄露,影响结果的准确性将很有可能导致错误的结论。因此,抽样计划的一项调查显示,存储和分析不同环境提出了矩阵和讨论。

3.1环境宏基因组分析的样本收集和存储

样本收集环境分析的重要一步,因为它形式进一步分析的基础是建立的基础,是决定了结果的可靠性。因此,重要的是要获得样本代表性位置的研究。一个明确的抽样设计满足环境的要求矩阵将访问网站之前。土壤基质,收集代表性样本的宏基因组分析已被确认是相当具有挑战性与其他矩阵由于物种多样性以及微生物群落的大小(丹尼尔,2005)。这可以被归类到功能,分类和系统发育多样性,使土壤环境的生物和物理化学性质导致矩阵的空间异质性。土壤微生物的数量的变化取决于土壤类型、孔隙度、pH值、含水率。为了成功确定微生物多样性的程度以及土壤样本的遗传变异,一个大的土壤调查建议(丹尼尔,2005)。这是很重要的在构建可靠的DNA库的特征样本的位置。构建一个DNA库的第一步是收集研究样本的位置。在大多数研究中,研究人员更喜欢收集少量复合土壤样本约500 g从震源深度10 - 20厘米或更少一个扩展区域由于大的微生物种群(Henne et al ., 1999;丹尼尔,2005)。这是用来评估样品的合成基因池位置提供信息对整个网站的DNA组成。

此外,强烈建议进行微生物分析后立即从源集合。此外,运输条件从源的分析应该正确评估,防止外部干扰或性质和组成的变化。虽然理想情况会立即分析样本集合后,可能存在的情况下这可能不可能由于采样站点的位置或其他物流。在这种情况下,重要的是,样本收集和分析之间的时间被保持到最低限度,储存条件应该防止污染或微生物扩散。这是因为微生物负载在一段时间内存储的样本可能不代表样本。除此之外,有必要确定样品的物理化学以及生物学特性,因为这影响了土壤微生物的多样性以及坚持。存储的样本多没有益处的条件下可能会导致一些生物和化学性质的变化的样本。样本的储存条件为宏基因组分析收集总结了文献报道表3的因素,而影响微生物的分布在不同的矩阵所示图2。不同的样本容器被用来收集样本不同的矩阵;例如,塑料容器主要用于土壤和沉积物(冯et al ., 2018),空气过滤器(Aalismail et al ., 2019)和无菌过程酸瓶水(布拉姆菲尔德et al ., 2021)。尽管这些容器只作为持有人帮助运送样品从源的分析,然而,他们从污染物预计将是免费的,使用前必须消毒。一般来说,收集样品的过程中参数选择对宏基因组分析通常取决于实验目的和目标的研究(表3)。

表3

表3。宏基因组分析的关键参数在样本收集。

图2

图2。影响因素在不同环境中微生物的分布。

空气样品中微生物的组成取决于地点、时间以及动物和人为活动。与微生物在土壤和水中矩阵具有有限流动性,微生物在空气中传播更迅速地在短时间内覆盖更大的距离。一些研究表明微生物在空气中传播的可能性之间不同的大洲(et al ., 2015;Aalismail et al ., 2019),这使得监测空气质量优先。除此之外,由于在空气中微生物的无限制的流动性,它可能很难证明室外空气样品收集在一个特定的样本点严格代表的位置。在最好的情况下,一个户外抽样计划只能提供估计的空气中的微生物在一个特定的地理区域。因此,当采样空气宏基因组分析,最好(推荐)大样本区域分割成组件与每个样本区域之间合理的距离。然后,无菌空气取样器是用来收集样本在整个地区的利益。

在采集空气样本,一些研究人员喜欢使用专门的空气取样器包含不同的隔间每个扮演特定的角色(Yooseph et al ., 2013)。在另一项研究中,撞击滤尘器连接到吸气器被用来采集室外空气样本为宏基因组分析(Cha et al ., 2017)。收集室内空气样品可能不是这么苛刻和复杂户外样本可能收集后关闭所有门店。然而,一些研究人员认为,这可能是合理的获得大量样本空气处理单元的一些现代通风系统而不是使用特殊的室内空气取样器收集样本(Tringe et al ., 2008)。这种策略取决于研究的目的。如果目标是确定室内空气质量完全,然后样品可能不是明智的空气从通风系统有恒定的室内和室外空气交换在大多数通风系统。除此之外,很可能通风系统本身可能成为微生物的宿主可能不同于目标的微生物负载矩阵。

3.2宏基因组分析环境样品

从环境样品获得DNA信息所涉及的步骤包括提取、分离、纯化,并测序。这是用于构建DNA库的环境矩阵。尽管大多数出版物的宏基因组分析环境样品并没有提供详细的信息进行了分析。因此,本文中提供的信息是可用的标准程序概述文献和一些修改已经被研究人员报道领域的宏基因组。

3.2.1提取、分离和纯化的DNA从环境样本

直接从环境样品的DNA提取和分离了优于传统培养技术作为一种克服一些微生物构成的限制已被标记为“unculturable”;虽然这个词已经被认为是不恰当的,因为它可能没有合适的培养等生物技术被发现(刘易斯et al ., 2010)。传统的获取方法等污染土壤的细菌聚合酶链反应和变性梯度凝胶电泳技术最初被认为是可靠的基因序列探测方法和转基因微生物在环境中(Porteous et al ., 1994)。然而,最近的研究报告说,这些技术不足以提供土壤微生物的详细信息(燕et al ., 2016)。因此,新的排序方法(下一代测序)开发微生物在污染矩阵的获取更详细的信息。这显然突破有降低成本的DNA序列分析(罗et al ., 2023)。这也包括解码功能微生物群落的解毒作用,降解,有毒化合物和转换(Sharma et al ., 2021 a)。所涉及的步骤创建一个DNA库从环境样本所示图3。

图3

图3。流程图显示环境样品的宏基因组分析所涉及的步骤。

遗传信息的微生物在污染的环境中可以获得16 s rRNA放大PCR分析DNA片段或全部从环境样品中提取Sharma et al ., 2021 b)。微生物提取基因组的提取过程需要使用工具初始高速漩涡后大约在10000 rpm释放大量的微生物细胞矩阵,并进一步治疗的残渣与溶菌酶和蛋白酶K (丁et al ., 2019)。聚合酶链反应(PCR)可以用来放大DNA之前创建一个图书馆的矩阵。16 s rRNA的分析以及质量控制会使用特殊的软件包,比如QIIME(定量了解微生物生态学)USEARCH和质量控制工具包(丁et al ., 2019)。

基因组数据的分析也非常具有挑战性尽管技术的重大改进。这是由于重大环境内的微生物物种多样性,读取负面含义准确的表示,甚至更大的复杂性与低质量的阅读分析。一些研究人员更喜欢更广泛的连续光谱分析基因组片段通常简约重叠群。然而,这增加了异质性,可能在一代的嵌合叠连群高潮。因此,需要提供一个明确的工作流程,考虑物种的多样性以及条件表明之间的一致性信息读取和重叠群。信息从数据库样本通常是相对于参考跟踪每个序列的起源。在文献中,梅根,微生物分析软件,使用最后的共同祖先(LCA)算法被用来分配到一个特定的序列分类单元(Haro-Moreno et al ., 2018)。然后进行进一步的分析来评估分类单元的质量以及统计学意义的结果。

4应用宏基因组技术有机和微量金属污染物的修复

不同环境中的化学污染物的修复将在两个部分分别进行讨论。这将包括生物修复的微量金属和有机化合物(多环芳烃、新兴有机污染物和持久性有机污染物)。这是旨在提供洞察力的补救机制的途径这群污染物可能是不同的,以及微生物的遗传信息负责这个活动。宏基因组分析允许一个强有力的说明化学成分的生物转化和交互环境矩阵(Handelsmanl et al ., 1998;Offiong et al ., 2022)。微生物群落分析和生物功能允许高度精确和高效优化协议实现修复的目标。

4.1生物修复的无机和有机金属化合物

无机化合物,特别是微量金属高度长期存留在环境中,并可以在酸性条件下可溶性增强化学污染物通过生物的快速吸收。因为大多数无机化合物降解,是最可行的方法医治这些污染物从环境中涉及改变从更多的有毒金属的氧化态和可溶性形式减少可溶性和有毒的状态。例如,主要存在在六价铬(Cr^{6 +})和三价状态(Cr^{3 +})。六价形式是剧毒,可溶性,致癌,它主要是发现自然蓄水层和指出了构成是最高的化学物质对人类的威胁,而三价形成不溶性和更少的有毒(马什和杰•麦克伦尼,2001年;张古,2007)。选择的研究项目的摘要修复金属和有机金属污染提出了宏基因组的网站方面表4。

表4

表4。宏基因组研究重金属和有机金属污染的网站。

尽管一些金属离子是有用的微生物的生长和新陈代谢,多余的金属离子超过某个阈值是有害的微生物。因此,这些生物有一个内置的生物系统,触发某些反应时的变化环境中这些污染物的浓度。这样的反应之一是metalloregulatory蛋白的激活,而作为金属感应代理控制在微生物体内平衡。这些蛋白质作为配体与金属结合的,因此,启动管理过程。这个绑定过程的有效性以及趋势是不同的在金属如图所示的欧文-系列,铜(I) >锌(II) >镍(II) >有限公司(II) >铁(II) >锰(II) >毫克(II) > Ca (II) (Barnett et al ., 2012)。因此,怀疑某些下茁壮成长的原因增加一些化学污染物的浓度,但减少或灭绝其他污染物的存在可能会由于不同的绑定这些配体对不同金属的潜力。这是因为据报道,失败陷阱这些多余的金属离子最终将终止增长和最终死亡的微生物在这些条件下(Chandrangsu et al ., 2017)。

张,顾(2007)已经记录了六价铬转化三价铬在充气和缺氧的条件下通过微生物中描述图4(张古,2007)。这份报告的摘要是在有氧条件下,六价铬离子的阻力铜绿假单胞菌导致减少吸收和增强射流从微生物的细胞膜,这导致形成不稳定的中间体到达稳定的三价态,而厌氧途径包括直接从六价转变为三价状态(张古,2007)。有趣的是,一些微生物特别是上的嗜酸生物如海床,acidianus, sulfurisphaera等有自适应特性,比如ATP合酶的释放,陪伴,DNA修复蛋白,等。,有助于维护内部化学平衡特别是pH值的变化这将中断其代谢活动(特里帕西et al ., 2021)。

图4

图4。从Cr的转换机制^{6 +}对Cr^{3 +}在充气和缺氧的条件下,酶的作用(张古,2007)。

重金属的修复机制使用细菌和真菌所示图5,6分别。三个重要的步骤在重金属的生物修复已报告使用细菌。这包括:物理吸附基于弱引力(范德瓦尔斯力),形成复杂的细胞表面后重金属离子之间的相互作用和活动组织的细菌以及离子交换的细胞壁多糖的化学成分(de Alernca et al ., 2017)。这导致细胞外的封存和射流肽细菌细胞的离子。这个变换的重金属和随后的流出细胞已被报道的原因增加某些细菌的耐药性对有毒重金属在不同污染的网站(胆量和Kuila, 2019)。

图5

图5。重金属的修复机制使用细菌(魏et al ., 2014)。

图6

图6。使用真菌的重金属去除机制(李et al ., 2014)。

使用真菌对重金属修复,金属离子的吸附真菌的细胞壁被报告为修复过程的第一步(Riaz et al ., 2021)。这是方便的功能基团如羧基、羟基、羰基、腈团体等表面的真菌与重金属吸附(陈et al ., 2022)。这可能导致菌丝的表面形态的变化,限制了金属离子的进一步渗透(陈et al ., 2022)。也有可能会有细胞内金属离子的生物累积而不是吸附到细菌细胞壁报道Sharma et al。(2021)。

4.2有机化合物的生物降解

有机污染物,如多环芳烃(多环芳烃),持久性有机污染物(pop)和新兴有机污染物(而是EOCs)是有机污染物的主要群体,环境科学家多年来关注的焦点。能力的微生物代谢脂肪族和芳香族有机化合物访问碳或获取能源的目的,从而将这些污染物转化为二氧化碳、水和生物有机化合物的生物修复的基础(bouw和亚历山大,1993年)。这个过程已经被证明是有效的和可靠的,然而,矩阵像土壤环境的异质性意味着物理和化学条件的改变可以使矩阵不适合这些污染物的生物降解。因此,预处理和调节措施有时被用来提高修复效率。这包括bio-stimulation、营养或肥料被添加到土壤生物强化,以及涉及的microorganism-laden材料如污泥或堆肥促进修复过程(沃格尔,1996)。这些补充的动电学修复流程已经修改其他地方(吉尔et al ., 2014)。此外,据报道,16 s rRNA基因分析柴油污染的土壤和其他燃料,已修复前条件确认alphaproteobacterial,放线菌,厚壁菌门,betaproteobacteria deltaproteobacteria,极大地提高了修复有机污染物的环境。

在最近的一项研究中,被用于促生通过生物降解原油污染的修复网站总石油烃(tph energy)和多环芳烃的一个财团的细菌观察使用宏基因组分析(Rahmeh et al ., 2021)。微生物的多样性调查显示一组属于不同属可以用于修复/恢复目的特别是在温带地区。同样,rhizoremediation也回顾了多环芳烃的降解和由不同使密切监测技术(宏基因组,metatranscriptomics宏蛋白质组学和基因组学)来评估所扮演的角色在修复过程中微生物(Kotoky et al ., 2018)。命题和描述可能的根际微生物的基因改造增强降解多环芳烃的强调在文献中使用这些先进的基因技术(Kotoky et al ., 2018)。在不同的环境组件和石油供应链的不同阶段监测多环芳烃的降解由于人为和自然干扰是至关重要的。

因此,在这一前提下,遗传、代谢途径和身份的多环芳烃具有降解能力的研究获得洞察不同的优化技术对生物修复和预防的原油恶化(伊达尔戈et al ., 2020使用宏基因组)。然而,一些生物和非生物因素也被认为影响生物修复过程的效率伊达尔戈et al ., 2020)。在其他地方,放线菌目和Rhizobiales被发现存在于原油拉登土壤,但前者是占主导地位的微生物而放线菌闻名的多环芳烃的降解潜力同样确认(耙斗和希克斯,2005)。虽然不是经常报道,风化柴油(输入)和可怜的生物降解和波动特性是一个污染的威胁当无意中释放到环境和增强通过biopile输入过程的生物修复研究与宏基因组的工具。高TPH energy移除超过70%被沉重的成分可以被输入Sphingomonas但假单胞菌负责低分数(刘et al ., 2021)。有机化合物的生物修复期间披露的有价值的信息通过宏基因组研究是至关重要的和不可或缺的元素优化和高效生态系统修复的目的。

目标有机化合物的生物修复地下蓄水层和其他水生来源还依赖于生物、物理和化学性质的水生矩阵。事实上,很强的相关性之间大量的微生物和这些属性已报告(耙斗和希克斯,2005;Santini et al ., 2015)。几个研究人员同意,使用多元统计或人工神经网络连接地球化学环境与微生物群落数据矩阵的属性可以在提高生物修复十分重要的有机和其他化学污染物的环境(Feris et al ., 2004;帕伦博et al ., 2004;耙斗和希克斯,2005)。另外,需要提供证据,这些污染物的修复使用微生物导致进化技术研究细胞属性,如电泳淌度的影响,对粒子的疏水性和静电相互作用在利率以及跟踪接种人群后注入含水层(耙斗和希克斯,2005)。提出了的metagenomic-assisted生物修复研究表5。作为一个例子,生物降解的苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)土壤污染的石油碳氢化合物,这是证明了在中央新陈代谢,细菌财团使用包含编码DNA序列(CDSs)所需ortho-cleavage儿茶酚,如儿茶酚1,2-dioxygenase (猫),muconate cycloisomerase (猫B), muconolactone D-isomerase (猫C)和3-oxoadipate enol-lactonases (主成分分析D和主成分分析L)所示图7。

表5

表5。Metagenomic-assisted生物修复研究。

图7

图7。Ortho-cleavage儿茶酚和随后的降解反应(法国埃兹,2021)。

5研究的挑战和前进的方向

尽管近年来改善技术,仍有挑战,需要解决,以提高数据的质量环境宏基因组分析的样本。一个重要的挑战是如何获得代表性样本的微生物群落,这是因为增加的环境特别是土壤样本的多样性,沉积物和水生矩阵。一个建议来解决这个问题是引入推拉测试微生物种群的分析(耙斗和希克斯,2005)。这包括注入控制测试解决方案的含水层,那么测试解决方案随后被提取并分析了化学、物理和生物学特性的矩阵。尽管这将给目标的属性信息矩阵,这可能作为样本收集指南,它可能不是用于大样本区域属性增加物种的多样性和可变性。因此,它可能是更好的大样本区域分割成不同的组件和获得同质区域内样本有相似的属性。

另一个主要挑战是在水生和沉积物样本矩阵的集合不干扰矩阵的构成。尽管沙床下水位;这些矩阵的性质可能是不同的。预计沉积物应该大微生物群落的变化相比,上面的水。收集沉积物样品时必须小心,以避免干扰的开销水矩阵。一些研究人员建议暂停固相支持矩阵如bio-sep珠子,可以帮助收集积极增长表面细菌在水产相关矩阵(耙斗和希克斯,2005)。如果这个设备应该被用来收集沉积物样品,然后,它应该从水中充分屏蔽层,直到它到达沙床上。

此外,技术分析期间出现的挑战包括变量与目标污染物接触微生物以及感兴趣的化合物的生物利用度。这可能出现由于某些因素如交通现象,孔隙度矩阵和交互水平的污染物与有机物或其他组件的矩阵。为了解决这个问题,将动电学研究化学污染物的生物降解为了监控迁移现象,孔隙度、污染物和微生物群落的生物利用度可能提供有用的信息建议(收集样品的过程中吉尔et al ., 2014)。此外,基因组装和预测是另一个重大挑战尤其是在造型。也强调,重建阶段的整个基因组序列读取使用片段汇编几乎是不可能实现多个微生物环境由于目标物种的复杂性和短序列读取的长度(伍力你们,2010年),这也解释了为什么宏基因组序列通常是作为本短篇阅读分析。

此外,妄想在16 s rRNA分析的存在可能会影响物种多样性估计如果没有充分过滤。嵌合体主要是由两个不同的父母序列,通常发现在16 s rRNA分析期间出现。发展改进的协议(如乳液聚合酶链反应(ePCR),它允许放大DNA样本中有用的防止形成嵌合体和某些工件之间相似的DNA序列。计算工具,如Ballerophone,针尾鸭、野鸭在删除嵌合数据扮演了重要角色,尽管已经提出改善这些工具的功能,允许高效运转与大16 s rRNA数据集来自条形码焦磷酸测序(伍力你们,2010年)。

6结论

遗传信息的收集微生物在污染环境中注册的是有用的在预测污染物在矩阵的类型,通常通过进行更详细的化学分析进行验证。物种的多样性在不同环境矩阵需要一个健壮的抽样计划和分析,以确保高质量的数据样本的代表位置下的研究。宏基因组分析讨论综述针对评估生物修复的过程中,拥有的功能微生物在医治从环境化学污染物。这被发现提供有用的信息,相关微生物的生物学特性对环境化学性质。此外,它已被观察到酶微生物的细胞膜的相互作用与环境中的化学污染物生物修复效果的决定因素之一,除了可访问性微生物细胞的目标污染物,这取决于污染物的溶解性,孔隙度的矩阵。同时,绑定的变化潜在的蛋白质在微生物细胞化学污染物已被确认为丰富的微生物的差异的原因在不同的化学物种的存在。

代表性样本的集合在一个被污染的环境中,选择样本容器和储存条件,防止微生物的扩散,和分析的时间都被确定为关键因素影响质量的宏基因组数据在初始阶段。同时,试样容器的选择以及运输条件,现场收集到的样本的分析应该考虑。这样做是为了确保样品在实验室收集的宏基因组分析反映的真实情况。测序技术的选择也有影响DNA的质量信息包含在每个矩阵的图书馆。尽管宏基因组序列分析使用16 s rRNA一直有用的环境样品,提供深入的DNA信息的高可能性产生嵌合体,影响质量的宏基因组数据,已被确定为一个关键的挑战,鼓舞人心的发展更先进的计算工具,过滤数据作为科学应对确保改善的结果。尽管在技术改进,已确定一些挑战,包括收集代表性样本,尤其是在一个矩阵,特征是增加物种的多样性,和运输的目标矩阵内的化学物种。这需要一个明确的抽样计划满足的需求矩阵进行调查。同时,将动电学纳入整个宏基因组过程已经收集的建议提高样品的质量环境。

此外,修复过程的有效性取决于污染物的化学以及微生物的生物学特性。因为这是蛋白质之间的相互作用影响微生物的细胞膜,作为配体结合污染物的详细研究这些参数可以提供有用的信息,可以确保控制整个修复过程。此外,微生物可以在实验室里培养,甚至修改,引入某些污染矩阵可能不是自然微生物可以分解这些污染物或将其转化为更少的有毒成分。同时,这些污染物的化学性质和微生物的细胞性质可能可能是有用的在构建生化模型,可以预测不同微生物的修复效率作为初始评估之前部署这些生物领域。

作者的贡献

概念化,N-AO NB;方法,N-AO、NB和我;调查,N-AO,我和学生;资源,N-AO;数据解读、N-AO我,SS, NA, EA, IO;原创作品草稿准备,N-AO和我;N-AO writing-review和编辑,我,SS, NA, EA、ES、IO、NB;监督、N-AO NB、ES和AO。所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。

确认

作者感谢南非医学研究理事会的金融支持。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

Aalismail: A。恩,d K。Diaz-Rua, R。阿拉姆,我。,Cusack, M., and Duarte, C. M. (2019). Functional metagenomic analysis of dust-associated microbiomes above the Red Sea.科学。代表。9、1 - 12。doi: 10.1038 / s41598 - 019 - 50194 - 0