Biotechnologia środowiska

Opis kierunku badawczego

 

Głównym celem projektów naukowych realizowanych na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska jest wykorzystanie potencjału metabolicznego mikroorganizmów w oczyszczaniu środowisk zanieczyszczonych toksycznymi węglowodorami, metalami ciężkimi, tworzywami polimerowymi i niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi. Poszukuje się szczepów bakterii i grzybów zdolnych do rozkładu tych związków, produkcji biosurfaktantów i/lub opornych na metale ciężkie. Źródłem tych potencjalnie cennych szczepów jest ryzosfera, gleba pozakorzeniowa, rośliny, osady czynne, odcieki i woda. Wyselekcjonowane i scharakteryzowane szczepy stosowane są do bioaugmentacji zanieczyszczonych miejsc, a także wspomagania fitostabilizacji i fitoekstakcji. Ważnym aspektem tych badań jest prowadzenie monitoringu, pozwalającego na ocenę wpływu zanieczyszczeń oraz zabiegów remediacyjnych na funkcjonalną, strukturalną i genetyczną różnorodność zespołów mikroorganizmów.

Prace naukowe w zakresie biotechnologii środowiska koncentrują się na następujących tematach badawczych:

1. Mikrobiologiczny rozkład wybranych związków aromatycznych w warunkach kometabolicznych
Badania koncentrują się nad rozkładem wybranych związków aromatycznych przez wyselekcjonowane szczepy bakterii oraz mieszane populacje mikroorganizmów gleby i osadu czynnego w warunkach kometabolicznych. Optymalizacja procesu usuwania trudno degradowalnych związków aromatycznych poprzez dobór rodzaju i stężenia dodatkowego źródła węgla wydaje się jednym z kluczowych sposobów wspomagania procesów oczyszczania środowiska, szczególnie gdy badania mają na celu wyselekcjonowanie optymalnych substratów wzrostowych spośród naturalnie występujących związków, pochodzenia roślinnego. Jednocześnie procesom biodegradacji w tych warunkach towarzyszy ocena aktywności kluczowych enzymów zaangażowanych w rozkład związków aromatycznych oraz analiza profili komórkowych kwasów tłuszczowych bakterii.

2. Pozyskiwanie i udoskonalanie kluczowych enzymów uczestniczących w degradacji związków o strukturze aromatycznej
Badania obejmują izolacje enzymów zaangażowanych w rozkład pierścienia aromatycznego oraz identyfikację, sekwencjonowanie i mutagenezę genów kodujących te enzymy. Celem badań jest pozyskanie enzymów o wysokiej aktywności degradacyjnej, działających w szerokim zakresie pH i temperatury.

3. Badania wpływu odcieków na funkcjonalną różnorodność i mikrobiologiczną aktywność osadu czynnego
Badania skupiają się na ocenie szkodliwego wpływu odcieków ze stawu Kalina na funkcjonalną różnorodność i mikrobiologiczną aktywność osadu czynnego. Celem badań jest opracowanie skutecznej metody wspomagania pracy osadu czynnego, narażonego na toksyczne działanie związków fenolowych, na drodze bioaugmentacji. W tym celu trwają poszukiwania środowiskowych szczepów, których zdolności do tworzenia biofilmu oraz autoagregacji i koagregacji, a także wysoka hydrofobowość ich błony komórkowej i odporność na wysokie stężenia odcieków umożliwią ich zastosowanie jako potencjalnej szczepionki.

4. Badania interakcji pomiędzy ryzosferowymi i endofitycznymi szczepami bakterii a roślinami
Celem badań jest poznanie podstaw interakcji bakteria-roślina w aspekcie wspomaganej fitoremediacji terenów zanieczyszczonych związkami o strukturze aromatycznej i metalami ciężkimi. Badania te obejmują izolacje bakterii zdolnych do degradacji związków o strukturze aromatycznej i posiadających właściwości promujące wzrost roślin, określenie zdolności szczepów bakterii do kolonizowania tkanek roślinnych oraz identyfikację genów warunkujących potencjalną zdolność bakterii do kolonizacji roślin. Metalooporne szczepy bakterii wykorzystywane są do zwiększania efektywności fitoekstrakcji metali ciężkich z gleby. Ponadto badania te pozwolą na skonstruowanie efektywnego systemu oczyszczania środowiska zanieczyszczonego związkami aromatycznymi i metalami ciężkimi.

5. Funkcjonowanie mikroorganizmów w glebach zanieczyszczonych pestycydami
Celem badań jest określenie odpowiedzi mikroorganizmów glebowych na pestycydy oraz oszacowanie zmian w bioróżnorodności strukturalnej i funkcjonalnej zespołów mikroorganizmów glebowych powstałych pod wpływem presji pestycydowej. Dodatkowo badania skupiają się na określeniu toksyczności nanopestycydów w stosunku do mikroorganizmów i ocenie ryzyka środowiskowego związanego z powszechnym stosowaniem nanocząstek i nanomateriałów.

6. Ocena ryzyka rozprzestrzeniania się genów kodujących antybiotykooporność na ampicylinę i tetracyklinę
Celem badań jest ocena wpływu oczyszczonych ścieków i osadów ściekowych na mikroorganizmy otrzymujących je środowisk ze szczególnym uwzględnieniem bakterii opornych na ampicylinę i tetracyklinę.  W ramach realizowanego projektu dokonuje się oceny bioróżnorodności mikroorganizmów oraz izoluje się i charakteryzuje plazmidy odpowiedzialne za rozprzestrzenianie oporności na antybiotyki wśród bakterii.

7. Rozkład tworzyw polimerowych
Prace badawcze mają na celu określenie podatności i/lub odporności kompozytów i kompozycji polimerowych na degradację w warunkach laboratoryjnych i polowych. Badania rozkładu prowadzone są w podłożach syntetycznych oraz w glebie i kompoście. Szczególny nacisk kładzie się na poznanie mechanizmów i warunki biodegradacji tworzyw z udziałem czystych i mieszanych kultur mikroorganizmów, w tym bakterii i grzybów. W badaniach wykorzystywane są mikroorganizmy z kolekcji własnej, izolowane z różnych środowisk, jak i szczepy muzealne, pochodzące z innych kolekcji krajowych i zagranicznych.

8. Mikrobiologiczny rozkład niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ) przez wyselekcjonowane wolne i immobilizowane szczepy bakterii
Badania te obejmują poznanie metabolicznych własności bakterii odpowiedzialnych za proces degradacji NLPZ oraz mechanizmów enzymatycznej i genetycznej regulacji tych procesów. Celem badań jest opracowanie szczepionki w oparciu o immobilizowane mikroorganizmy, która zastosowana zostanie w bioremediacji środowisk zanieczyszczonych NLPZ oraz w oczyszczalniach ścieków.

9. Wykorzystanie immobilizowanych konsorcjów bakterii nitryfikacyjnych do konstrukcji bioindykatora zanieczyszczeń środowiska wodnego
Celem badań jest budowa systemów biodetekcji do wykrywania obecności substancji niebezpiecznych w wodzie opartych na kontroli procesów metabolicznych prowadzonych przez bakterie. Do budowy i testowania takich systemów stosowane są techniki potencjometryczne, modelowanie procesów biochemicznych, tomografia µXrayCT, analiza obrazu, mikroskopia konfokalna, mikroskopia skaningowa SEM EDS.

10. Zarządzanie gospodarką wodną
Badania te opierają się wieloaspektowym podejściu do zarządzania środowiskiem wodnym z wykorzystaniu metody DPSIR w analizie przyczyn złego stanu wód oraz modelowania matematycznego ekosystemów (Elcom Caedym) do oceny stanu i predykcji skutków programowanych/testowanych scenariuszy zdarzeń. W badaniach wykorzystywane są techniki sonarograficzne oraz wielkoobszarowe analizy fizykochemiczne.

11. Wykorzystanie biomarkerów w procesach remediacji zanieczyszczonych środowisk
Analizowane są mechanizmy detoksykacyjne i procesy bioeliminacji czynników szkodliwych z wykorzystaniem zwierząt bezkręgowych, jako modelu badawczego. Poszukiwane są skuteczne metody dla oceny stresu oksydacyjnego powodowanego różnymi szkodliwymi substancjami, w tym nanocząsteczkami. Ilościowa i jakościowa analiza zmian apoptotycznych i/lub nekrotycznych w komórkach wybranych narządów oceniana jest na podstawie wielkości zmian potencjałów mitochondrialnych, poziomu kaspaz, zmian asymetrii błony komórkowej, defragmentacji DNA, oksydacyjnych uszkodzeń białek i DNA oraz zmian stężenia ATP, wolnych rodników, w tym produktów peroksydacji lipidów. Badania obejmują procesy immunologiczne i ochronną rolę płynów ustrojowych w warunkach stresu oksydacyjnego jak i analizę lokalizacji neuropeptydów w strukturach układu nerwowego. Oceniane są także zmiany wybranych właściwości materiałowych (fizycznych, chemicznych oraz biologicznych) włókien jedwabiu pajęczego w warunkach krótkotrwałej oraz chronicznej ekspozycji na stresory antropogenne i naturalne. Prowadzone są prace dotyczące wykorzystania biomarkerów w ocenie skutków remediacji zanieczyszczonych środowisk. Analizowana jest wrażliwość zwierząt glebowych na działanie substancji ropopochodnych z uwzględnieniem skutków bioremediacji gleb zanieczyszczonych tymi substancjami.

12. Aspekty neutralizacji ksenobiotyków na poziomie układu pokarmowego zwierząt
Badania te dotyczą roli struktur układu pokarmowego w procesach neutralizacji ksenobiotyków. Analizowane są także zależności roślina żywicielska – roślinożerca, wiążące budowę i funkcje przewodu pokarmowego z rodzajem pobieranego pokarmu, a także możliwości wykorzystania naturalnych inhibitorów enzymów trawiennych w kontroli populacji agrofagów, często gatunków inwazyjnych, jak stonka kukurydziana (Diabrotica virgifera), szrotówek (Cameraria ohridella) czy sówka (Spodoptera exigua). Testowane są oddziaływania na fizjologię i zachowanie owadów związki pochodzenia roślinnego (np. metyloksantyny, olejki eteryczne). Badane są zależności między funkcją trawienną przewodu pokarmowego owadów (głównie szkodników roślinnych) a stanem jego mikroflory i aktywnością neuropeptydów w warunkach in vitro i in vivo oraz zmiany degeneracyjne w komórkach gruczołów jelita środkowego u behawioralnie i fizjologicznie zróżnicowanych gatunków pająków.

13. Wykorzystanie biopestycydów i innych możliwości kontroli liczebności gatunków szkodliwych
Badania te koncentrują się na rozpoznawaniu systemów obronnych zwierzęcia w warunkach oddziaływania biopestycydów, w oparciu o badania procesów metabolizmu glutationu oraz enzymów I i II fazy detoksykacji w tkankach o różnej wrażliwości. Badana jest aktywność wybranych enzymów detoksykacyjnych względem różnych substratów oraz ich wrażliwość po zastosowaniu specyficznych inhibitorów w warunkach in vitro.

Analizowane są wzajemne relacje między stresorami naturalnymi i antropogennymi. W badaniach tych weryfikuje się czy i w jakim stopniu rodzaj zastosowanych stresorów (naturalne: niska/wysoka temperatura, niedobór pokarmu; antropogeniczne: metale ciężkie, pestycydy) oraz ich nasilenie (ekspozycja długo- i krótkoterminowa) indukuje zmiany degeneracyjne (apoptoza, autofagia, nekroza) w komórkach struktur przewodu pokarmowego z uwzględnieniem różnych poziomów organizacji komórkowej.

Badane jest oddziaływanie olejków eterycznych i kwasów organicznych na przeżywalność, rozwój, fizjologię oraz behawior gatunków szkodliwych takich jak Tribolium confusum, Callobruchus maculatus, Alphitobius diapterinus. Prowadzone są podstawowe testy toksykologiczne (przeżywalność larw i dorosłych) jak i pomiary poziomu metabolizmu na podstawie konsumpcji tlenu. Analizowana jest również skuteczność oddziaływania repelentnego wybranych związków i mieszanin. 

W badaniach wykorzystuje się następujące metody badawcze:

 
♦ klasyczne metody hodowli mikroorganizmów na podłożach mikrobiologicznych
♦ immobilizacja mikroorganizmów na naturalnych i syntetycznych nośnikach
♦ chromatografia cieczowa i gazowa
♦ spektrofotometria UV-VIS
♦ testy toksyczności i genotoksyczności
♦ techniki PCR i real-time PCR
♦ metody elektroforetyczne
♦ system Biolog®
♦ sekwencjonowanie i klonowanie DNA
♦ płomieniowa absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA)
♦ metody mikroskopowe: tradycyjna, fluorescencyjna konfokalna, transmisyjna i skaningowa mikroskopia elektronowa
♦ tomografia komputerowa µXrayCT
♦ wirowanie różnicowe
♦ hodowle ciągłe w fermentorach, złoża biologiczne
♦ spektrometrię absorbcji atomowej (AAS)
♦ markery molekularne
♦ molekularne i biochemiczne metody oceny bioróżnorodności zespołów mikroorganizmów glebowych (DGGE, BIOLOG®)
♦ cytometrię obrazową
♦ biosensory do detekcji zanieczyszczeń w wodzie
♦ badania struktury białek enzymatycznych
♦ ELISA, Western Blotting
♦ techniki bioinformatyczne
♦ techniki immunohistochemiczne
♦ analizy behawioralne (aktywność lokomotoryczna, zachowania eksploracyjne)