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Environnement

Bioprospection de micro-organismes extrêmophiles pour lutter contre la pollution de l’environnement

Published: December 30, 2021
doi:
10.3791/63453
, , , , ,
1Department of Biology,University of Naples Federico II, 2Institute of Polymers, Composites and Biomaterials (IPCB),Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR, 3Division of Biological Systems and Engineering,Lawrence Berkeley National Laboratory, 4BAT Center-Interuniversity Center for Studies on Bioinspired Agro-Environmental Technology,University of Napoli Federico II

Summary

L’isolement des microbes résistants aux métaux lourds des sources géothermiques est un sujet brûlant pour le développement de biosystèmes de bioremédiation et de surveillance de l’environnement. Cette étude fournit une approche méthodologique pour isoler et identifier les bactéries tolérantes aux métaux lourds des sources chaudes.

Abstract

Les sources géothermiques sont riches en divers ions métalliques en raison de l’interaction entre la roche et l’eau qui a lieu dans l’aquifère profond. De plus, en raison de la variation saisonnière du pH et de la température, une fluctuation de la composition des éléments est périodiquement observée dans ces environnements extrêmes, influençant les communautés microbiennes environnementales. Les micro-organismes extrêmophiles qui se développent dans les cheminées thermiques volcaniques ont développé des mécanismes de résistance pour gérer plusieurs ions métalliques présents dans l’environnement, participant ainsi à des cycles biogéochimiques métalliques complexes. De plus, les extrêmophiles et leurs produits ont trouvé un ancrage important sur le marché, et cela est vrai en particulier pour leurs enzymes. Dans ce contexte, leur caractérisation est fonctionnelle au développement de biosystèmes et de bioprocédés pour la surveillance de l’environnement et la bioremédiation. À ce jour, l’isolement et la culture en laboratoire de micro-organismes extrêmophiles représentent encore un goulot d’étranglement pour exploiter pleinement leur potentiel biotechnologique. Ce travail décrit un protocole simplifié pour l’isolement des micro-organismes thermophiles des sources chaudes ainsi que leur identification génotypique et phénotypique à travers les étapes suivantes: (1) Échantillonnage de micro-organismes à partir de sites géothermiques (« Pisciarelli », une zone volcanique de Campi Flegrei à Naples, Italie); (2) Isolement des micro-organismes résistants aux métaux lourds; 3° l’identification des isolats microbiens; (4) Caractérisation phénotypique des isolats. Les méthodologies décrites dans ce travail pourraient être généralement appliquées également pour l’isolement des micro-organismes d’autres environnements extrêmes.

Introduction

Les environnements extrêmes de notre planète sont d’excellentes sources de micro-organismes capables de tolérer des conditions difficiles (température, pH, salinité, pression et métaux lourds)1,2, étant l’Islande, l’Italie, les États-Unis, la Nouvelle-Zélande, le Japon, l’Afrique centrale et l’Inde, les zones volcaniques les mieux reconnues et étudiées 3,4,5,6,7,8,9 . Les thermophiles ont évolué dans des environnements difficiles dans une gamme de températures allant de 45 °C à 80 °C 10,11,12. Les micro-organismes thermophiles, appartenant aux règnes archéal ou bactérien, sont un réservoir pour l’étude de la biodiversité, la phylogenèse et la production de biomolécules exclusives pour des applications industrielles 13,14,15,16. En effet, au cours des dernières décennies, la demande industrielle continue sur le marché mondial a encouragé l’exploitation des extrêmophiles et des thermozymes pour leurs applications diversifiées dans plusieurs domaines biotechnologiques 17,18,19.

Les sources chaudes, où les organismes vivent en consortiums, sont de riches sources de biodiversité, représentant ainsi un habitat attrayant pour étudier l’écologie microbienne20,21. De plus, ces zones riches en métaux volcaniques sont généralement colonisées par des micro-organismes qui ont développé des systèmes de tolérance pour survivre et s’adapter à la présence de métaux lourds22,23 et sont donc activement impliqués dans leurs cycles biogéochimiques. De nos jours, les métaux lourds sont considérés comme des polluants prioritaires pour l’homme et l’environnement. Les micro-organismes résistants aux métaux lourds sont capables de solubiliser et de précipiter les métaux en les transformant et en remodelant leurs écosystèmes24,25. La compréhension des mécanismes moléculaires de la résistance aux métaux lourds est un sujet brûlant pour l’urgence de développer de nouvelles approches vertes 26,27,28. Dans ce contexte, la découverte de nouvelles bactéries tolérantes représente le point de départ pour le développement de nouvelles stratégies de bioremédiation environnementale24,29. Dans le cadre des efforts visant à explorer les environnements hydrothermaux par le biais de procédures microbiologiques et à accroître les connaissances sur le rôle du ou des gènes à l’origine de la tolérance aux métaux lourds, un dépistage microbien a été effectué dans la région des sources chaudes de Campi Flegrei en Italie. Cet environnement riche en métaux lourds présente une puissante activité hydrothermale, des bassins fumaroles et bouillants, dont le pH et la température varient en fonction de la saisonnalité, des précipitations et des mouvements géologiques souterrains30. Dans cette perspective, nous décrivons un moyen facile à appliquer et efficace d’isoler les bactéries résistantes aux métaux lourds, par exemple, Geobacillus stearothermophilus GF1631 (nommé isolat 1) et Alicyclobacillus mali FL1832 (nommé isolat 2) de la région de Pisciarelli de Campi Flegrei.

Protocol

1. Échantillonnage des micro-organismes des sites géothermiques Choisissez le site d’échantillonnage en utilisant comme critère des endroits avec la température et le pH souhaités. Mesurez les paramètres physiques à l’aide d’une sonde thermocouple numérique, en l’insérant dans les piscines ou les boues sélectionnées. Prélever 20 g d’échantillons de sol (dans ce cas, de la boue dans le site hydrothermal de Pisciarelli Solfatara), en les ramassant avec une cuill?…

Representative Results

Site d’échantillonnageCe protocole illustre une méthode d’isolement des bactéries résistantes aux métaux lourds d’une source chaude. Dans cette étude, la région de Pisciarelli, un environnement géothermique acido-sulfidique, a été utilisée comme site d’échantillonnage (figure 1). Cet écosystème est caractérisé par l’écoulement de fluides sulfureux agressifs dérivés des activités volcaniques. Il a été démontré que les com…

Discussion

Les sources chaudes contiennent une diversité inexploitée de microbiomes aux capacités métaboliques tout aussi diverses12. Le développement de stratégies d’isolement des micro-organismes capables de convertir efficacement les métaux lourds en composés moins toxiques10 représente un domaine de recherche d’intérêt croissant dans le monde entier. Cet article vise à décrire une approche simplifiée pour le dépistage et l’isolement des microbes ayant la capac…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par ERA-NET Cofund MarTERA: « FLAshMoB: Functional Amyloid Chimera for Marine Biosensing », PRIN 2017-PANACEA CUP:E69E19000530001 et par GoodbyWaste: ObtainGOOD products-exploit BY-products-reduce WASTE, MIUR 2017-JTNK78.006, Italie. Nous remercions Dr. Monica Piochi et Dr. Angela Mormone (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Napoli Osservatorio Vesuviano, Italie) pour l’identification et la caractérisation du site géothermique.

Materials

Ampicillin Sigma Aldrich A9393
Aura Mini bio air s.c.r.l. Biological hood
Bacitracin Sigma Aldrich B0125
Cadmium chloride Sigma Aldrich 202908
Chloramphenicol Sigma Aldrich C0378
Ciprofloxacin Sigma Aldrich 17850
Cobalt chloride Sigma Aldrich C8661
Copper chloride Sigma Aldrich 224332
Erythromycin Sigma Aldrich E5389
Exernal Service DSMZ Leibniz Institute DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH
Genomic DNA Purification Kit Thermo Scientific #K0721
Kanamycin sulphate Sigma Aldrich 60615
MaxQTM 4000 Benchtop Orbital Shaker Thermo Scientific SHKE4000
Mercury chloride Sigma Aldrich 215465
NanoDrop 1000 Spectrophotometer Thermo Scientific
Nickel chloride Sigma Aldrich 654507
Orion Star A221 Portable pH Meter Thermo Scientific STARA2218
Sodium (meta) arsenite Sigma Aldrich S7400
Sodium arsenate dibasic heptahydrate Sigma Aldrich A6756
Sodium chloride Sigma Aldrich S5886
Streptomycin Sigma Aldrich S6501
Tetracycline Sigma Aldrich 87128
Tryptone BioChemica Applichem Panreac A1553
Vancomycin Sigma Aldrich PHR1732
Yeast extract for molecular biology Applichem Panreac  A3732
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References

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Citer Cet Article
Gallo, G., Aulitto, M., Contursi, P., Limauro, D., Bartolucci, S., Fiorentino, G. Bioprospecting of Extremophilic Microorganisms to Address Environmental Pollution. J. Vis. Exp. (178), e63453, doi:10.3791/63453 (2021).
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