Trong những năm trở lại đây, Metagenomics đã tạo nên những tiến bộ vượt bậc trong sinh thái học, tiến hóa và đa dạng VSV. Đây là định hướng mới, quan trọng và trở thành chiến lược trong phát triển kinh tế bền vững, an ninh quốc phòng, bảo vệ sức khỏe và môi trường trên thế giới hiện nay (Riesenfeld, 2004). Metagenomics là công cụ mới, tổ hợp của rất nhiều kỹ thuật sinh học kết hợp tin sinh học để phân tích, sàng lọc, xây dựng thư viện metabase, quản lý và khai thác cho các mục tiêu phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường từ nguồn DNA, RNA được tách chiết thẳng từ môi trường tự nhiên, cơ thể người, động thực vật không thông qua nuôi cấy (Meyer, 2008). Metagenomics đã được nghiên cứu trong 5-10 năm qua nhằm nghiên cứu hệ sinh thái VSV, sự tiến hóa và sự đa dạng VSV bao gồm cả đa dạng chủng loài, gene chức năng. Metagenomics cũng có thể sử dụng hiệu quả trong việc giám định pháp y, bảo vệ sinh học (biodefense), phát triển nông nghiệp bền vững (Handelsman, 2004).
Để nghiên cứu quần xã không thông qua nuôi cấy, một loạt các phương pháp và kỹ thuật đã được sử dụng như kỹ thuật PCR định lượng (qPCR), lai in situ đánh dấu huỳnh quang, xác định hoạt tính enzyme, phân tích phóng xạ đặc hiệu cơ chất,
nghiên cứu hệ phiên mã (transcriptomics), hệ protein (proteomics) và xác định trình tự DNA (meta)genome hoặc DNA được khuếch đại bởi phản ứng PCR từ mẫu môi trường bằng máy giải trình tự công năng cao thế hệ mới. Các công cụ này được sử dụng kết hợp với nhau để cung cấp những hiểu biết sâu sắc toàn diện hơn về các quá trình vi sinh vật liên quan đến phân hủy loại khử clo (Maphosa, 2012). Metagenomics đã được sử dụng để nghiên cứu quần xã sinh vật trong nhiều loại môi trường khác nhau như ruột mối, đường ruột ở người, hệ thống xử lý nước thải và hệ thống thoát nước mỏ acid v.v. (Beloqui, 2006; Fang, 2011; Hug, 2013). Một cấu trúc quần xã phù hợp giữ vai trò thiết yếu trong quá trình loại khử clo hoàn toàn ở một hệ thống phân hủy sinh học. Cho đến nay, nhiều nghiên cứu liên quan đến sự đa dạng của VK hô hấp loại khử clo và quá trình trao đổi chất của chúng (bao gồm cả dòng năng lượng bên trong quần xã VK KK) đã được thực hiện. Các quần xã VK cần cho mục đích phân hủy sinh học thường dựa trên sự tương tác đa loài trong theo mạng lưới. Các VK hô hấp loại clo thường sống trong quần xã nhưng chúng khó phân lập ở dạng chủng sạch nên cần thiết phải xác định đặc diểm của quần xã dựa vào công cụ Metagenomics. Các ứng dụng của công cụ Metagenomics đã đưa một cái nhìn tổng thể về thành phần di truyền của quần xã vi sinh vật bao gồm các thông tin về định loại và khả năng trao đổi chất tiềm năng (như hoạt động loại khử clo) của các thành viên trong quần xã. Hiện nay, hiểu biết về cấu trúc quần xã một cách phù hợp giữ vai trò thiết yếu trong quá trình xử lý bằng loại clo hoàn toàn xảy ra ở các hệ thống phân hủy sinh học. Đặc biệt, đối với các VSV tham gia vào quá trình loại khử clo các hợp chất ô nhiễm chứa clo, các VK KK hô hấp loại khử clo rất khó nuôi cấy và phân lập ở dạng chủng sạch nên khó xác định các đặc điểm sinh học và vai trò của mỗi cá thể trong quần xã.
Hiện nay, công cụ Metagenomics đã được một số nhà khoa học trên thế giới sử dụng để đánh giá sự đa dạng quần xã vi khuẩn (KB-1, ANAS, Donnall) tham gia vào quá trình loại khử clo và mối quan hệ về trao đổi chất giữa các VK này trong quần xã (Maphosa, 2012; Hug, 2012, 2013). Chẳng hạn, đối với quần xã VK loại khử clo của TCE, ban đầu Dehalococcoides xuất hiện và chiếm ưu thế để tham gia quá trình loại
khử clo trong quần xã ANAS. Các gene rdhA được phát hiện trong quần xã có cấu trúc gần với các gene đã được công bố trong genome của các chủng D. mccartyi
khác nhau. Tiếp theo, các gene hydrogenase chiếm ưu thế vì nó tham gia vào quá trình trao đổi chất hydro trong quần xã. Phân tích cấu trúc quần xã ANAS giả thiết rằng có sự sinh trưởng mạnh của các VK dị dưỡng sinh hydro khác nhau (các VK lên men, nhóm VK tự dưỡng sinh acetate) và các nhóm tiêu thụ (nhóm loại khử clo và sinh metan). Hydro cần thiết cho các VK loại khử clo và sinh metan, duy trì ổn định hoạt tính loại clo. Tiếp theo là quá trình tổng hợp cobalamin, một cofactor quan trọng của quá trình loại khử clo. Gene này có mặt ở một số VK trong đó có
Dehalococcoides. Các VK khác trong quần xã cũng có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp cobalamin. Metagenomics cũng được sử dụng để xác định metagenome của hỗn hợp gồm hai chủng Dehalobacter sp. E1 và Sedimentibacter sp. B4 có khả năng loại khử clo của beta-hexa-chlorocyclohexane (Maphosa, 2012).
Dehalobacter sp. không thể được nuôi cấy ở dạng chủng sạch và cần có VK
Sedimentibacter để duy trì khả năng loại khử clo (Van Doesburg, 2005). Phân tích metagenome cho thấy Dehalobacter có số lượng gene rdhA tăng lên trong quá trình loại khử clo của các hợp chất như chloroform, chloroethane, methane. Sự có mặt của nhiều nhóm gene rdhA giả thiết Dehalobacter có khả năng loại khử clo của nhiều hợp chất hơn so với chúng ta đã biết trước đây. Sedimentibacter giữ vai trò là chủng hỗ trợ (như tạo ra cofactor) cho Dehalobacter sinh trưởng và duy trì hoạt tính loại clo. Metagenome của hỗn hợp KB-1 có khả năng loại khử clo của TCE chứa các chi
Dehalococcoides, Geobacter, Methanosarcina, Spirochaeeta và Sporomusa. Quần xã ANAS loại clo của PCE có Dehalococcoides và một số VK lên men, VK sinh metan và nhiều VK khác (Hug, 2012, 2013). Phân tích metagenome của các quần xã VK có khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa clo cho thấy các VK KK hô hấp loại khử clo chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số quần xã VSV. Hiểu được cấu trúc của quần xã và chức năng của mỗi cá thể trong quần xã giúp cho việc tăng cường hiệu quả phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ chứa clo. Khi sử dụng các kỹ thuật nhận diện (fingerprinting) phân tử như DGGE, TRFLP từ các đoạn gene 16S rRNA để nghiên
cứu các quần xã VK KK loại clo cho thấy quá trình loại clo hoàn toàn từ PCE đến ethene xảy ra ở các hệ VSV khác nhau, quần thể loại clo là giống nhau nhưng không xác định được các con đường lên men giống và khác nhau khi có mặt hay không có mặt nhóm VK sinh methane. Việc hiểu được tổng thể quần xã VK KK và sự tương tác của chúng có thể trả lời các câu hỏi như tại sao quá trình tạo ra ethen bị chậm lại mặc dù Dehalococcoides vẫn có mặt (Daprato, 2007). Phương pháp Metagenomics kết hợp với (meta)transcriptomics và proteomic cho phép chúng ta biết được hoạt động thực tế của VSV.
Công cụ Metagenomics đã được sử dụng để xác định cấu trúc của quần xã VK KK được làm giàu từ bùn ô nhiễm ở Alameda Naval Air Station (ANAS), California đã loại clo của TCE đến ethene (Richarson, 2002; Freeborn, 2005; Holmes, 2006). Kết quả phân tích bằng Metagenomics đã chứng minh thành phần của quần xã VK KK được nghiên cứu bằng thư viện dòng gene 16S rRNA và microarray trước đây. Dựa trên hai quần thể chứa Dehalococcoides, các tác giả đã xác định các VK trong quần xã thuộc nhóm Gram dương có tỷ lệ G+C thấp (chủ yếu là Clostridium và Eubacterium sp.), Bacteroides sp., Citrobacter sp., -
Proteobacteria (chủ yếu là Desulfovibrio sp.). Xác định trình tự metagenome chỉ ra chỉ ra sự thay đổi về các loài chiếm ưu thế và có mặt cả nhóm VK sinh metan là khác biệt so với việc sử dụng các công cụ sinh học phân tử khác.
Phân tích metagenome không chỉ đưa ra thông tin về quần xã VK KK loại khử clo hoạt động như thế nào mà nó có thể xác định khả năng ô nhiễm các hợp chất trung gian khác do các VSV này sinh ra. Ngoài ra, thông tin của metagenome cũng cho phép các nhà nghiên cứu phân tích so sánh giữa các VK KK hô hấp loại khử clo như Dehalococcoides, Dehalobacter, Desulfitobacterium và các quần xã VK loại khử clo khác, quá trình trao đổi chất của chúng và mối quan hệ giữa các loài trong quần xã. Metagenomics cho phép chúng ta nghiên cứu động học và mối tương tác bên trong phạm vi quần xã VSV bao gồm sự trao đổi và cung cấp chất dinh dưỡng giữa các loài cùng với vai trò của các vi khuẩn hô hấp loại clo đặc hiệu liên quan đến quá trình phân hủy các chất ô nhiễm chứa clo. Ngoài ra, một số VK
khác trong quần xã liên quan tới quá trình loại khử clo như các chủng sinh hydro và methane cũng được xác định trình tự và chúng có thể hữu ích cho các mục đích khác như tạo ra năng lượng sinh học. Hơn nữa, về phương diện an toàn thì sự tạo thành methane trong các thủy vực là điều không mong muốn. Do đó, việc làm thiết yếu là hiểu rõ hoạt động của VK sinh metan khi một chất cho điện tử được bổ sung vào để kích thích quá trình loại khử clo. Vì vậy, cần hiểu rõ vai trò của các VSV trong quần xã trong đó có VK sinh methane có thể giúp chúng ta tiết kiệm nhu cầu năng lượng trong quá trình thiết lập lô xử lý bằng phân hủy sinh học. Để hiểu được chi tiết các mối quan hệ giữa các VSV trong quần xã, việc sử dụng công cụ Metagenomics để nghiên cứu là cần thiết.
Vai trò của nghiên cứu cơ bản khi sử dụng các phương pháp nêu trên phục vụ trực tiếp hay gián tiếp cho nghiên cứu phân hủy, chuyển hóa hay khoáng hóa nhằm khử độc làm sạch dioxin và các chất tương tự hiện có trên thế giới và ở Việt Nam sẽ được trình bày dưới đây.