การศึกษาความหลากหลายของอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียและโครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในน้ำใต้ดินปนเปื้อนเพื่อพัฒนานวัตกรรมการบำบัดสารหนูโดยวิธีชีวภาพ

น้ำใต้ดินปนเปื้อนสารหนูเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมระดับโลกโดยเฉพาะในภูมิภาคเอเชียใต้และเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ การอุปโภคบริโภคน้ำใต้ดินปนเปื้อนสารหนูส่งผลเสียโดยตรงต่อสุขภาพ อาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียสามารถเปลี่ยนรูปสารหนูชนิด As³⁺ เป็น As⁵⁺ ซึ่งเป็นรูปแบบที่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตน้อยกว่า ดังนั้นอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียจึงมีศักยภาพสำหรับใช้บำบัดน้ำใต้ดินปนเปื้อนสารหนู ผู้วิจัยและคณะจึงมุ่งศึกษาจุลินทรีย์กลุ่มนี้ในน้ำใต้ดินปนเปื้อนในเขตพื้นที่จังหวัดระยอง สุพรรณบุรี และพิจิตร โดยเริ่มจากการศึกษาความหลากหลายและปริมาณของอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียในน้ำใต้ดินจากพื้นที่จังหวัดระยองซึ่งปนเปื้อนสารหนูหลายระดับความเข้มข้น งานวิจัยนี้ใช้เทคนิค PCR-cloning และ qPCR ในการวิเคราะห์ยีน aioA รวมทั้งบ่งชี้ปัจจัยที่มีผลกระทบต่อความหลากหลายและปริมาณของอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียโดยใช้การวิเคราะห์พหุตัวแปร ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียที่พบในน้ำใต้ดิน คือ กลุ่ม Betaproteobacteria และ Alphaproteobacteria ปริมาณยีน aioA ที่ตรวจพบอยู่ในช่วง 8.6×10¹-1.1×10⁴ copies/ng DNA คิดเป็น 0.16-1.37% ของจำนวนจุลินทรีย์ทั้งหมด ถึงแม้ว่าน้ำใต้ดินที่ศึกษานี้จะมีปริมาณอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียน้อย น้ำใต้ดินที่มีความเข้มข้นของ As³⁺ สูงมีแนวโน้มส่งเสริมอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียที่มีบทบาทสำคัญในการทำปฏิกิริยาคีโมลิโธออโตทรอฟิกออกซิเดชัน As³⁺ ไปเป็น As⁵⁺ อีกทั้งพบว่า Fe และ As³⁺ เป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลกระทบต่อความหลากหลายและปริมาณของอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียในน้ำใต้ดิน

เนื่องจากน้ำใต้ดินระดับตื้นและระดับลึกมีปัจจัยแวดล้อมต่างกัน ผู้วิจัยและคณะจึงศึกษาโครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในน้ำใต้ดินระดับตื้นและระดับลึกบริเวณพื้นที่เกษตรกรรมที่ได้รับผลกระทบจากเหมืองดีบุกเก่าในจังหวัดสุพรรณบุรีโดยใช้การวิเคราะห์ยีน 16S rRNA และยีน aioA รวมทั้งบ่งชี้ปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมที่มีผลต่อการกระจายตัวของของกลุ่มจุลินทรีย์ดังกล่าว ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์เด่นที่พบในแต่ละแหล่งน้ำมีลักษณะเฉพาะ การอยู่ร่วมกันของ Burkholderiaceae และ Gallionellaceae มีศักยภาพในการควบคุมการเคลื่อนที่ของสารหนูในแหล่งน้ำ ผลการวิเคราะห์ยีน aioA แสดงให้เห็นว่าปริมาณอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียกลุ่ม Alphaproteobacteria Betaproteobacteriaและ Gammaproteobacteria คิดเป็น 0.85-37.13% ของจุลินทรีย์ทั้งหมด อีกทั้งพบว่าอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียมีความชุกมากในน้ำใต้ดินระดับตื้นและน้ำผิวดิน ปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมที่มีผลต่อโครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในแหล่งน้ำที่ได้รับผลกระทบจากการทำเกษตรกรรมและเหมืองดีบุกเก่า คือ ปริมาณออกซิเจนละลาย (dissolved oxygen, DO) และปริมาณฟอสฟอรัสรวม (total phosphorus, TP) ส่วนปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมที่มีผลต่อโครงสร้างอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรีย คือ ปริมาณไนเตรท (NO₃^–-N) และศักยภาพการเกิดออกซิเดชัน รีดักชัน (oxidation-reduction potential, OPR)

เนื่องจากการทำเหมืองแร่มีแนวโน้วปล่อยธาตุโลหะต่าง ๆ สู่สิ่งแวดล้อม ผู้วิจัยและคณะจึงวิเคราะห์จำนวนอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรีย โครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในน้ำใต้ดิน น้ำผิวดิน และดินจากบริเวณเหมืองทองเก่าในจังหวัดพิจิตรโดยใช้เทคนิค cloning-ddPCR ในการศึกษายีน aioA และเทคนิค high-throughput sequencing ในการศึกษายีน 16S rRNA รวมทั้งวิเคราะห์รูปแบบของสารหนูที่ปรากฏในแหล่งน้ำโดยใช้แบบจำลองทางอุทกธรณีเคมี PHREEQC ผลการศึกษายีน aioA แสดงให้เห็นว่าอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียที่พบในน้ำใต้ดิน น้ำผิวดิน และดิน คือ AlphaproteobacteriaBetaproteobacteria และ Gammaproteobacteria อีกทั้งพบว่าน้ำใต้ดินจากบริเวณเหมืองมีอัตราส่วนของยีน aioA/16S rRNA สูงและมีสารหนูชนิด As⁵⁺ เป็นหลัก ผลการศึกษายีน aioA และการวิเคราะห์ชนิดของสารหนูบ่งชี้ว่าอาร์ซีไนต์ออกซิไดซิงแบคทีเรียมีบทบาทในการเปลี่ยนรูปสารหนูในน้ำใต้ดินที่ศึกษา ผลการวิเคราะห์เมตาจีโนมิกส์แสดงให้เห็นว่ากลุ่มจุลินทรีย์หลักที่พบในดินและน้ำผิวดิน คือ Proteobacteria ActinobacteriaBacteroidetes และ Chloroflexi ในขณะที่กลุ่มจุลินทรีย์หลักที่พบในน้ำใต้ดิน คือ Betaproteobacteria และ Alphaproteobacteria ปัจจัยทางธรณีวิทยาที่มีผลต่อโครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในน้ำใต้ดิน คือ สารหนู ระยะเวลากักน้ำ และอัตราการไหล ส่วนปัจจัยทางธรณีวิทยาที่มีผลต่อโครงสร้างกลุ่มจุลินทรีย์ในน้ำผิวดิน คือ ปริมาณอินทรีย์คาร์บอนทั้งหมด (total organic carbon, TOC) ศักยภาพการเกิดออกซิเดชัน รีดักชัน (oxidation-reduction potential, OPR) และปริมาณออกซิเจนละลาย (dissolved oxygen, DO)

งานวิจัยดังกล่าวได้รับความร่วมมือจากหน่วยงานต่าง ๆ ได้แก่ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการจัดการสารและของเสียอันตราย จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, ภาควิชาธรณีวิทยา จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, ภาควิชาจุลชีววิทยา จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, คณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยีและสถาบันพัฒนาและฝึกอบรมโรงงานต้นแบบ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี, สถาบันการเรียนรู้ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี, และศูนย์เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและวิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎีและการคำนวณ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

งานวิจัยนี้ส่งเสริมการใช้ประโยชน์จากความหลากหลายของจุลินทรีย์เพื่อพัฒนานวัตกรรมการบำบัดสิ่งแวดล้อมโดยฐานชีวภาพซึ่งจัดเป็นการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืนซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (Sustainable Development Goals, SDGs) กลุ่ม Planet เรื่องทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะเป้าหมายที่ 6 สร้างหลักประกันว่าจะมีการจัดให้มีน้ำและสุขอนามัยสำหรับทุกคนและมีการบริหารจัดการที่ยั่งยืน โดยเฉพาะข้อ 6.3 ยกระดับคุณภาพน้ำโดยลดมลพิษ อีกทั้งงานวิจัยนี้ยังส่งเสริมการเรียนรู้และการประยุกต์ใช้เทคนิคทางด้านชีววิทยา วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม และงานวิจัยด้านโอมิกส์เพื่อต่อยอดในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืนซึ่งสอดคล้องกับ SDGs เป้าหมายที่ 4 สร้างหลักประกันว่าทุกคนมีการศึกษาที่มีคุณภาพอย่างครอบคลุมและเท่าเทียมและสนับสนุนโอกาสในการเรียนรู้ตลอดชีวิต