English
Procesy biologicznego rozkładu zanieczyszczeń stanowią podstawę oczyszczania ścieków komunalnych. Wykorzystują do tego skoncentrowaną biomasę różnorodnych mikroorganizmów (osad czynny). Oczyszczalnie ścieków odgrywają rolę pomostów między bakteriami środowiskowymi, mikrobiomem ścieków (w tym mikrobiomem ludzkim) a patogenami oportunistycznymi. Procesy oczyszczania są skupione wokół usuwania osadów i zawiesin oraz związków fosforu i azotu. Jednak ponad stuletnia technologia stosowania osadu czynnego dużo gorzej radzi sobie z trwałymi zanieczyszczeniami przemysłowymi, związkami farmaceutycznymi czy mikroorganizmami antybiotykoopornymi [1, 2]. Czy rozwiązaniem są bakteriofagi?
Dlaczego współczesne procesy oczyszczania ścieków wymagają modyfikacji w skali mikro?
Ponieważ oparte na mikrobach procesy usuwania związków fosforu i azotu często narażone są na zmienne warunki, to ich skuteczność może być zagrożona. Na przykład proces nitryfikacji, czyli utleniania przez mikroorganizmy azotu amonowego do azotanu, wymaga utrzymania stałego poziomu składników odżywczych w dopływających do oczyszczalni ściekach. Jednak ich skład może się zmieniać w zależności od pory roku czy nawet pory dnia. Dodatkowo biomasa bakteryjna przyrasta powoli, a straty powstałe w wyniku wypłukiwania czy intensywnych opadów mogą powodować zachwianie równowagi procesów przemian związków azotu. W konsekwencji obniża się efektywność usuwania zanieczyszczeń, ale także następuje kumulacja związków chemicznych do poziomów toksycznych dla samych mikroorganizmów [2].
Ponadto, według najnowszych badań, oczyszczalnie ścieków są gorącymi punktami, skąd nie tylko do środowiska wędrują mikroorganizmy antybiotykooporne, ale gdzie następuje również transfer genów antybiotykooporności między mikrobami [3]. Procesy oczyszczania ścieków nie są zaprojektowane tak, aby skutecznie radzić sobie ze zmniejszaniem liczebności genów antybiotykoodporności, a wpływ stosowanych metod może być jedynie pośredni. Duże zagęszczenie różnych mikroorganizmów, środki powierzchniowoczynne oraz dezynfekujące sprzyjają selekcji i poziomemu transferowi genów. Ponadto mikroby w oczyszczalniach są obciążane kontaktami z mikroplastikami i metalami ciężkimi. Nowe, odporne patogeny ewoluują i różnią się od tych już krążących w środowisku genotypów [3, 4].
Gdzie mikrobiolog pośle bakteriofagi?
Rozwiązania przynajmniej kilku wspomnianych wyżej problemów upatrywane są w wykorzystaniu bakteriofagów. Badania wykazały, że można użyć ich w celu optymalizacji procesów oczyszczania ścieków oraz fermentacji metanowej. Oczyszczalnie są szczególnie interesującym mikrobiologicznie środowiskiem ze względu naturalnie na stały i duży napływ drobnoustrojów, w tym fagów [5].
Bakteriofagi są w przybliżeniu o 1 do 2 rzędów wielkości mniejsze od komórek bakteryjnych, zwykle w zakresie od 20 nm do 200 nm. Mają prostą strukturę – składają się z kapsydu białkowego zawierającego genom faga, jedno- lub dwuniciowego DNA lub RNA, czasami z błony lipidowej w kapsydzie otaczającym materiał genetyczny. Stanowią najliczniejszą jednostkę biologiczną na Ziemi, przewyższając liczbę swoich żywicieli nawet 10 razy. Mogą infekować zarówno bakterie (gram-ujemne, gram-dodatnie, a nawet wielolekooporne), jak i archeony, zwykle rozpoczynając cykl od przylgnięcia do ściany komórkowej bakterii i wstrzyknięcia swojego genomu do jej wnętrza. Bakteriofag to po prostu zjadacz bakterii, co podkreśla jego wysoką zdolność bakteriobójczą, ale też specyficzność w działaniu [5-7].
Większość bakteriofagów charakteryzuje się wysoką specyficznością wobec konkretnego rodzaju bakterii i replikuje w miejscu zakażenia. Oznacza to, że fag może przejąć kontrolę nad maszynerią (np. transkrypcją) i zasobami (np. zasadą nukleinową) bakterii w celu własnej replikacji, co hamuje wzrost gospodarza i prowadzi do jego śmierci (lizy) z szybkością nawet 1023 infekcji na sekundę [5].
Interakcje między bakteriofagami a bakteriami mogą wpływać na skład społeczności, funkcje oraz ewolucję mikrobiomu. Dzięki tym właściwościom są coraz chętniej wykorzystywane w naukach inżynieryjnych, środowiskowych i medycznych.
Wykorzystanie bakteriofagów do modyfikacji społeczności drobnoustrojów przez wyeliminowanie niepożądanych szczepów może mieć wpływ na wzmocnienie procesów tlenowych w komorach biologicznych i poprawę efektywności oczyszczania [8]. Jednym z problemów technologicznych związanych z osadem czynnym jest tzw. pęcznienie, które może prowadzić do zmniejszenia zdolności sedymentacyjnych i w konsekwencji do problemów z separacją osadu od oczyszczonej cieczy. Pęcznienie powoduje wzrost objętości osadów oraz akumulację zewnątrzkomórkowych substancji polisacharydowych o dużej lepkości. Substancje te zwiększają retencję wody w osadzie, utrudniając jego odwadnianie i wpływając na stabilność kłaczków [9].
Nowoczesne metody sekwencjonowania umożliwiły badaczom wytypowanie bakterii odpowiedzialnych za pienienie i pęcznienie. Stanowią one od 1,86 do 9 proc. wszystkich drobnoustrojów obecnych w osadzie czynnym. Na przykład Gordonia spp. została wskazana jako gatunek bakterii nitkowatych, które powodują szereg problemów w oczyszczaniu ścieków: osadzanie zanieczyszczeń, pienienie czy korozję. Aktualnie stosowane metody chemicznej dezynfekcji mogą prowadzić do powstania szeregu toksycznych produktów ubocznych [8-10]. Redukcję bakterii odpowiedzialnych za problemy technologiczne można osiągnąć przez zastosowanie pojedynczych gatunków fagów lub koktajli fagowych (mieszanin składających się z kilku gatunków) [7].
Większość bakterii w systemach biologicznego oczyszczania ścieków nie nadaje się do hodowli w warunkach laboratoryjnych (szacuje się, że 99 proc.), stanowiąc część mikrobiologicznej ciemnej materii, w tym wiele mikrobów funkcjonalnych, które decydują o efektywności, np. Candidatus Accumulibacter fosfatis, bakterie utleniające amoniak czy Microthrix parvicella. Dlatego odpowiadające im fagi są trudno wykrywalne klasycznymi metodami, dopasowanie dają dopiero zaawansowane metody metagenomiki typu shotgun w połączeniu z narzędziami bioinformatycznymi [11, 12].
W oczyszczalniach ścieków mikroorganizmy chorobotwórcze występują w dużych ilościach. Najczęściej są to E. coli, Salmonella spp., Staphylococcus aureus i Campylobacter jejuni. Chociaż patogeny te mogą zostać zaadsorbowane w kłaczkach, a następnie usunięte wraz z osadem nadmiernym lub spożyte przez pierwotniaki, to nadal mogą stwarzać potencjalne ryzyko dla środowiska w przypadku zachwiania procesów biologicznych. Bakteriofagi zwiększają również bezpieczeństwo ponownego wykorzystania ścieków [5]. Szczególnie obiecujące wyniki osiągają w walce z antybiotykoopornością, ograniczając liczbę poddanych ich wpływowi organizmów lub przerywając łańcuchy przenoszenia genów antybiotykooporności [11, 12]. Na rysunku 1. przedstawiono podstawowe możliwości wykorzystania bakteriofagów w systemach oczyszczania ścieków.
Jakie są możliwości i przeszkody?
Podczas infekcji fagiem bakterie mogą wykształcić mechanizmy obronne. Mogą zmienić lub utracić swoje receptory, wydalając substancje uniemożliwiające adhezję bakteriofaga do żywiciela, hamując replikację i uwalnianie faga. Mikroorganizmy zorganizowane w złożonych biofilmach wciąż stanowią wyzwanie dla agresorów. Ponadto potrafią rozpoznawać kwasy nukleinowe specyficzne dla fagów i niszczyć je, zapobiegając infekcjom [6, 7]. Oporność na infekcje można zmniejszyć, wykorzystując koktajle fagowe. Istotne jest ulepszanie i rozwijanie strategii przewidywania relacji bakteriofag-gospodarz i bakteriofag-środowisko. Bez wątpienia rozwój technik biologii molekularnej może pomóc w śledzeniu bakterii i bakteriofagów. Co pozwoli zmniejszyć obawy przed tym wciąż nowym narzędziem kontroli biotechnologii oczyszczania ścieków [5, 6].
Ekologiczna rola bakteriofagów nadal jest odkrywana. Wydaje się, że fagi pełnią ważną rolę w regulacji struktury społeczności drobnoustrojów w oczyszczalniach ścieków [5-8]. Ich drapieżnictwo może wpływać na wydajność procesów biologicznego usuwania związków azotu i fosforu poprzez kontrolę pęcznienia, pienienia czy eliminację określonych patogenów.
Wszystkie dotychczasowe badania skupiały się na wykorzystaniu bakteriofagów do kontroli biologicznej w systemach laboratoryjnych, natomiast wciąż brakuje szerszych analiz dotyczących możliwości pełnoskalowego wykorzystania fagów w oczyszczalniach ścieków. Wynika to przede wszystkim ze zmienności mikrobiomu osadu czynnego i znaczącego udziału mikrobiologicznej ciemnej materii, która wciąż stanowi dla badaczy zagadkę [13]. Mimo to fagi mogą stanowić alternatywę dla standardowej kontroli operacyjnej (temperatury, pH, stężenia tlenu czy czasu zatrzymania), stając się cennym narzędziem środowiskowym i ekonomicznym [5, 6].
dr inż. Edyta Łaskawiec – technolożka wody i ścieków, adiunkt w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej
W artykule korzystałam m.in. z prac:
[1] Yuan L. i inni. Pathogenic and Indigenous Denitrifying Bacteria are Transcriptionally Active and Key Multi-Antibiotic-Resistant Players in Wastewater Treatment Plants. Environ Sci Technol, 2021, 55(15), 10862-10874 https://doi.org/10.1021/acs.est.1c02483
[2] Hossein M. i inni. Exploring eco-friendly approaches for mitigating pharmaceutical and personal care products in aquatic ecosystems: A sustainability assessment, Chemosphere, 2023, Vol 316, 137715 https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137715
[3] Sun Sh. i inni. High-risk antibiotics positively correlated with antibiotic resistance genes in five typical urban wastewater, J Environ Manag, 2023, Vol 342, 118296 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118296
[4] Mosaka T.B.M. i inni. Inactivation of antibiotic-resistant bacteria and antibiotic-resistance genes in wastewater streams: Current challenges and future perspectives, Front Microbiol, 2023, Vol 16, 1-21 https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.1100102
[5] Liu R. Bacteriophage ecology in biological wastewater treatment systems, Appl Microbiol Biotechnol, 2021, 105, 5299–5307 https://doi.org/10.1007/s00253-021-11414-8
[6] Withey S. i inni. Bacteriophages—potential for application in wastewater treatment processes, Sci Total Environ, 2005, Vol 339(1–3), 1-18 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2004.09.021
[7] Bolsan A.C. i inni. Bacteriophages in wastewater treatment: can they be an approach to optimize biological treatment processes?, Environ Sci Pollut Res, 2022, 29, 89889–89898 https://doi.org/10.1007/s11356-022-24000-w
[8] Runa V. i inni. Bacteriophages in Biological Wastewater Treatment Systems: Occurrence, Characterization, and Function, Front Microbiol, 2021, Vol 12, 30, 1-19 https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.730071
[9] Shivaram K.B. i inni. Bacteriophage-based biocontrol technology to enhance the efficiency of wastewater treatment and reduce targeted bacterial biofilms, Sci Total Environ, 2023, Vol 862, 160723 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160723
[10] Reisoglu Ş., Aydin S. Bacteriophages as a promising approach for the biocontrol of antibiotic resistant pathogens and the reconstruction of microbial interaction networks in wastewater treatment systems: A review, Sci Total Environ, 2023, Vol 890, 164291 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.164291
[11] Sabatino R. i inni. Bacteriophages limitedly cont ribute to the antimicrobial resistome of microbial communities in wastewater treatment plants, Microbiology Spectrum, 2023, Vol 11(5) https://doi.org/10.1128/spectrum.01101-23
[12] Du B. i inni. Responses of bacterial and bacteriophage communities to long-term exposure to antimicrobial agents in wastewater treatment systems, J Hazard Mater, 2021, Vol 414, 125486 https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125486
[13] Zhang Y. i inni. The microbial dark matter and “wanted list” in worldwide wastewater treatment plants, Microbiome, 2023, 11, 59 https://doi.org/10.1186/s40168-023-01503-3
