Miljön kryllar av mikrober. Jord, vatten, ytor inomhus, våra egna kroppar – alla livsmiljöer som inte har steriliserats noggrant är befolkade av tusentals arter av ömsesidigt beroende bakterier, virus, och andra mikroskopiska organismer.

Dessa vävar av mikrobiota är den biologiska grunden för större ekosystem, och små förändringar i det mikrobiella samhället kan provocera fram seismiska förändringar i miljön.

Nanopartiklar är en av en lång lista av ämnen som kan störa dem, men retas ut deras effekter är en sisyfisk uppgift.

Dessa samhällen består av ett svindlande antal mikrober, många av dem kan inte odlas i labbet – och även om de skulle kunna, de komplexa interaktionerna i verkliga mikrobiella samhällen kan inte reproduceras genom experiment med bara ett fåtal arter.

I en ny tidning i tidningen Naturens nanoteknik , forskare från Virginia Tech visar ett sätt att undersöka effekten av nanopartiklar på en viss mikrobiom:att titta på DNA från en hel mikrobiell gemenskap snarare än på enskilda arter.

Strategin, kallas metagenomisk analys, sekvenserar DNA från alla mikrober i ett prov på en gång, ger en överblick över alla gener som fungerar i den miljön.

Resultaten tyder på att det är ett användbart verktyg, känsliga nog för att fånga förändringar som andra metoder kan missa – inklusive några som kan ha konsekvenser för folkhälsan.

Ledande laget var Amy Pruden, W. Thomas Rice professor i teknik, och byggnads- och miljöteknikprofessor Peter Vikesland. Båda är experter på komplexa miljösystem; Pruden studerar rollerna för dynamiska mikrobiella samhällen och Vikesland fokuserar för närvarande på nanoteknikens inverkan på miljön.

I den här studien, forskarna tittade på mikrobiella samhällen i aktivt slam, som befolkar avloppsreningsverk och bryter ned föroreningar i avloppsvatten.

"Vi använder den verkliga världen, komplexa samhällen, sådana som är viktiga miljömässigt eftersom de renar vårt vatten, " sa Pruden.

Nanopartiklar blir allt vanligare i avloppsvatten, tvättas in från en växande lista över produkter som innehåller allt från marshmallows till medicinsk utrustning.

Nanopartiklarna som användes i studien var guldsfärer och stavar syntetiserade i Catherine Murphys labb, en professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Forskargruppen introducerade dessa nanopartiklar i en reaktor i laboratorieskala som simulerar ett reningsverk för avloppsvatten, och körde en metagenomisk analys efter sju dagar och en annan efter 56 dagar.

Det visade sig att nanopartiklarna ändrade fördelningen av gener i det aktiva slammikrobiella samhället, och att sfäriska nanopartiklar hade större inflytande än stavliknande.

Bland de gener som påverkades var de som hjälper smittsamma bakterier att undvika antibiotika.

Avloppsreningsverk har identifierats som en reservoar för antibiotikaresistensgener som så småningom hittar sin väg in i miljön, där de utgör en ökande risk för folkhälsan.

Över åtta veckors exponering för guldnanopartiklar, det totala antalet antibiotikaresistensgener i provet hölls stabilt, men fördelningen av dessa gener – det vill säga, vilka antibiotika de skyddar sig mot — skiftade. Forskarna märkte också förändringar i gener som gör att bakterier kan motstå exponering för metaller, som normalt är cellgifter.

Under tiden, identiteten på en kemisk beläggning i nanopartiklarna ledde inte till samma genetiska förändringar.

"De överraskande resultaten av denna studie - att nanopartikelformen kan påverka mikrobiell samhällsstruktur i större utsträckning än ytegenskaper som tillförs av beläggningar - har betydande implikationer inte bara för att informera om den säkrare designen av nanomaterial och mildra oavsiktliga effekter på ekosystem och folkhälsa, men också att förbereda avloppsreningsverk för en potential, relativt förbisedd växande utmaning, "sa Pedro Alvarez, George R. Brown professor i civil- och miljöteknik vid Rice University.

Alvarez studerar miljötillämpningar och implikationer av nanoteknik, men var inte involverad i denna forskning.

Beläggningen på nanopartiklarna gjorde, dock, påverka deras fördelning mellan slammet och avloppsvattnet. Det kan få miljökonsekvenser:slammet i ett avloppsreningsverk återvinns och används igen, medan vattnet släpps tillbaka till miljön.

Men varken nanopartiklarnas skiftande plats eller mikrobernas genetiska förändringar verkade påverka effektiviteten vid nedbrytning av föroreningar. Det belyser känsligheten i denna metagenomiska metod:att den kanske kan fånga subtila förändringar i ett samhälle innan de kan plockas upp med enklare åtgärder, som prestandan hos ett avloppsreningsverk.

"Det är som en mikrobiell kanarie i kolgruvan, sa Vikesland.

Pruden och Vikesland betonar att mycket mer forskning är nödvändig för att förstå hur olika typer av nanopartiklar påverkar mikrobiella samhällen, och att det inte är klart om förändringarna de såg i antibiotikaresistensgener är sådana som skulle utgöra en risk för folkhälsan.

"Vi samarbetar med professorer i datavetenskap för att ta denna metagenomiska riskbedömningsmetod till nästa nivå, ", sa Pruden. De arbetar på att skapa ett verktyg som kan hjälpa till att bedöma vilka genetiska förändringar som kan vara problematiska.

Den viktigaste slutsatsen, säger forskarna, är att dessa resultat tyder på att metagenomisk analys kan ge värdefull information om effekterna av nanopartiklar på ett komplext mikrobiellt ekosystem.

"Metagenomiken säger att det finns en signal, "Sa Vikesland." Just nu vet vi inte vad de verkliga konsekvenserna av den signalen är, men det är helt klart något där."