De omgeving wemelt van de microben. Bodem, water, binnenoppervlakken, ons eigen lichaam - elke habitat die niet rigoureus is gesteriliseerd, wordt bevolkt door duizenden soorten onderling afhankelijke bacteriën, virussen, en andere microscopische organismen.

Deze webben van microbiota vormen de biologische basis voor grootschaliger ecosystemen, en kleine verschuivingen in de microbiële gemeenschap kunnen seismische verschuivingen in de omgeving veroorzaken.

Nanodeeltjes behoren tot een lange lijst van stoffen die ze kunnen verstoren, maar het plagen van hun effecten is een Sisyphean-taak.

Deze gemeenschappen bestaan ​​uit een duizelingwekkend aantal microben, waarvan vele niet in het laboratorium kunnen worden gekweekt - en zelfs als ze dat wel zouden kunnen, de complexe interacties in echte microbiële gemeenschappen kunnen niet worden gereproduceerd door experimenten met slechts een paar soorten.

In een nieuw artikel in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , onderzoekers van Virginia Tech demonstreren een manier om het effect van nanodeeltjes op een bepaald microbioom te onderzoeken:kijken naar het DNA van een hele microbiële gemeenschap in plaats van naar individuele soorten.

De strategie, genaamd metagenomische analyse, sequenties van het DNA van alle microben in een monster tegelijk, wat een overzicht oplevert van alle genen die in die omgeving functioneren.

De resultaten suggereren dat het een nuttig hulpmiddel is, gevoelig genoeg om veranderingen op te vangen die andere methoden zouden kunnen missen, waaronder enkele die gevolgen kunnen hebben voor de volksgezondheid.

Aan het hoofd van het team stond Amy Pruden, de W. Thomas Rice hoogleraar techniek, en hoogleraar civiele techniek en milieutechniek Peter Vikesland. Beiden zijn experts op het gebied van complexe milieusystemen; Pruden bestudeert de rol van dynamische microbiële gemeenschappen en Vikesland richt zich momenteel op de effecten van nanotechnologie op het milieu.

In dit onderzoek, de onderzoekers keken naar microbiële gemeenschappen van actief slib, die afvalwaterzuiveringsinstallaties bevolken en verontreinigende stoffen in rioolwater afbreken.

"We gebruiken echte, complexe gemeenschappen, die belangrijk zijn voor het milieu omdat ze ons water zuiveren, ' zei Pruden.

Nanodeeltjes komen steeds vaker voor in afvalwater, aangespoeld uit een groeiende lijst met producten die alles omvat, van marshmallows tot medische apparatuur.

De nanodeeltjes die in het onderzoek werden gebruikt, waren gouden bollen en staafjes die werden gesynthetiseerd in het laboratorium van Catherine Murphy, een professor in de chemie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Het onderzoeksteam introduceerde deze nanodeeltjes in een reactor op laboratoriumschaal die een afvalwaterzuiveringsinstallatie simuleert, en voerde een metagenomica-analyse uit na zeven dagen en een andere na 56 dagen.

Het bleek dat de nanodeeltjes de verdeling van genen in de microbiële gemeenschap van actief slib veranderden, en dat bolvormige nanodeeltjes een grotere invloed hadden dan staafvormige.

Onder de aangetaste genen waren de genen die infectieuze bacteriën helpen antibiotica te ontwijken.

Afvalwaterzuiveringsinstallaties zijn geïdentificeerd als een reservoir voor antibioticaresistentiegenen die uiteindelijk hun weg vinden naar het milieu, waar ze een toenemend risico vormen voor de volksgezondheid.

Meer dan acht weken blootstelling aan gouden nanodeeltjes, het totale aantal antibioticaresistentiegenen in het monster stabiel gehouden, maar de verdeling van die genen - dat wil zeggen, tegen welke antibiotica ze oppassen - verschoven. De onderzoekers merkten ook veranderingen op in genen die ervoor zorgen dat bacteriën bestand zijn tegen blootstelling aan metalen, die normaal cytotoxisch zijn.

In de tussentijd, de identiteit van een chemische coating in de nanodeeltjes leidde niet tot dezelfde genetische veranderingen.

"De verrassende resultaten van deze studie - dat de vorm van nanodeeltjes de structuur van de microbiële gemeenschap in grotere mate kan beïnvloeden dan de oppervlakte-eigenschappen die worden verleend door coatings - heeft niet alleen belangrijke implicaties voor het veiliger ontwerp van nanomaterialen en het verminderen van onbedoelde effecten op het ecosysteem en de volksgezondheid, maar ook om afvalwaterzuiveringsinstallaties voor te bereiden op een potentiële, relatief over het hoofd gezien groeiende uitdaging, " zei Pedro lvarez, de George R. Brown hoogleraar civiele en milieutechniek aan de Rice University.

Alvarez bestudeert de milieutoepassingen en implicaties van nanotechnologie, maar was niet betrokken bij dit onderzoek.

De coating op de nanodeeltjes deed, echter, hun verdeling tussen het slib en het afvalwater beïnvloeden. Dat kan gevolgen hebben voor het milieu:het slib in een afvalwaterzuiveringsinstallatie wordt hergebruikt en hergebruikt, terwijl het water weer in het milieu terechtkomt.

Maar noch de verschuivende locatie van de nanodeeltjes, noch de genetische veranderingen van de microben leken de efficiëntie bij het afbreken van verontreinigende stoffen te beïnvloeden. Dat benadrukt de gevoeligheid van deze metagenomica-benadering:dat het subtiele verschuivingen in een gemeenschap kan opvangen voordat ze kunnen worden opgepikt door eenvoudigere maatregelen, zoals de prestaties van een afvalwaterzuiveringsinstallatie.

"Het is als een microbiële kanarie in de kolenmijn, ', aldus Vikingland.

Pruden en Vikesland benadrukken dat er veel meer onderzoek nodig is om te begrijpen hoe verschillende soorten nanodeeltjes microbiële gemeenschappen beïnvloeden, en dat het niet duidelijk is of de veranderingen die ze zagen in genen voor antibioticaresistentie, een risico zouden vormen voor de volksgezondheid.

"We werken samen met professoren in de informatica om deze metagenomics-risicobeoordelingsbenadering naar een hoger niveau te tillen, " Zei Pruden. Ze werken aan het maken van een hulpmiddel dat kan helpen bepalen welke genetische veranderingen problematisch kunnen zijn.

De belangrijkste conclusie, zeggen de onderzoekers, is dat deze resultaten suggereren dat metagenomica-analyse waardevolle informatie kan opleveren over de effecten van nanodeeltjes op een complex microbieel ecosysteem.

"De metagenomics zeggen dat er een signaal is, "Zei Vikesland. "Op dit moment weten we niet wat de real-world implicaties van dat signaal zijn, maar er is duidelijk iets."