De isolatie van zware metaalresistente microben uit geothermische bronnen is een hot topic voor de ontwikkeling van bioremediatie en milieumonitoring biosystemen. Deze studie biedt een methodologische benadering voor het isoleren en identificeren van zware metaaltolerante bacteriën uit warmwaterbronnen.
Geothermische bronnen zijn rijk aan verschillende metaalionen vanwege de interactie tussen gesteente en water die plaatsvindt in de diepe watervoerende laag. Bovendien, als gevolg van seizoensgebonden variatie in pH en temperatuur, wordt fluctuatie in elementsamenstelling periodiek waargenomen in deze extreme omgevingen, waardoor de microbiële gemeenschappen in het milieu worden beïnvloed. Extremofiele micro-organismen die gedijen in vulkanische thermische ventilatieopeningen hebben resistentiemechanismen ontwikkeld om verschillende metaalionen in het milieu te verwerken, waardoor ze deelnemen aan complexe biogeochemische cycli van metalen. Bovendien hebben extremofielen en hun producten een uitgebreide voet aan de grond gekregen in de markt, en dit geldt vooral voor hun enzymen. In deze context is hun karakterisering functioneel voor de ontwikkeling van biosystemen en bioprocessen voor milieumonitoring en bioremediatie. Tot op heden vormen de isolatie en teelt onder laboratoriumomstandigheden van extremofiele micro-organismen nog steeds een knelpunt voor het volledig benutten van hun biotechnologisch potentieel. Dit werk beschrijft een gestroomlijnd protocol voor de isolatie van thermofiele micro-organismen uit warmwaterbronnen, evenals hun genotypische en fenotypische identificatie door middel van de volgende stappen: (1) Bemonstering van micro-organismen van geothermische sites (“Pisciarelli”, een vulkanisch gebied van Campi Flegrei in Napels, Italië); (2) Isolatie van zware metaalbestendige micro-organismen; (3) Identificatie van microbiële isolaten; (4) Fenotypische karakterisering van de isolaten. De methodologieën die in dit werk worden beschreven, kunnen in het algemeen ook worden toegepast voor de isolatie van micro-organismen uit andere extreme omgevingen.
De extreme omgevingen op onze planeet zijn uitstekende bronnen van micro-organismen die in staat zijn om zware omstandigheden te verdragen (d.w.z. temperatuur, pH, zoutgehalte, druk en zware metalen)1,2, zijnde IJsland, Italië, de VS, Nieuw-Zeeland, Japan, Centraal-Afrika en India, de best erkende en bestudeerde vulkanische gebieden 3,4,5,6,7,8,9 . Thermofielen zijn geëvolueerd in ruwe omgevingen in een temperatuurbereik van 45 °C tot 80 °C 10,11,12. Thermofiele micro-organismen, die behoren tot de archaeale of bacteriële koninkrijken, zijn een reservoir voor de studie van biodiversiteit, fylogenese en de productie van exclusieve biomoleculen voor industriële toepassingen 13,14,15,16. In de afgelopen decennia heeft de voortdurende industriële vraag op de wereldmarkt de exploitatie van extremofielen en thermozymen voor hun gediversifieerde toepassingen op verschillende biotechnologische gebieden aangemoedigd 17,18,19.
Warmwaterbronnen, waar organismen in consortia leven, zijn rijke bronnen van biodiversiteit en vormen daarmee een aantrekkelijke habitat om microbiële ecologie tebestuderen 20,21. Bovendien worden deze vulkanische metaalrijke gebieden vaak gekoloniseerd door micro-organismen die tolerantiesystemen hebben ontwikkeld om te overleven en zich aan te passen aan de aanwezigheid van zware metalen22,23 en daarom actief betrokken zijn bij hun biogeochemische cycli. Tegenwoordig worden zware metalen beschouwd als prioritaire verontreinigende stoffen voor mens en milieu. De zware metaalbestendige micro-organismen zijn in staat om metalen op te lossen en neer te slaan door ze te transformeren en hun ecosystemen te hervormen24,25. Het begrip van de moleculaire mechanismen van resistentie tegen zware metalen is een hot topic voor de urgentie om nieuwe groene benaderingen te ontwikkelen 26,27,28. In deze context vormt de ontdekking van nieuwe tolerante bacteriën het startpunt voor het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor bioremediatie in het milieu24,29. Ter begeleiding van de inspanningen om hydrothermale omgevingen te verkennen door middel van microbiologische procedures en de kennis te vergroten over de rol van het gen of de genen die ten grondslag liggen aan de tolerantie voor zware metalen, werd een microbiële screening uitgevoerd in het warmwaterbrongebied van Campi Flegrei in Italië. Deze zware metaalrijke omgeving vertoont een krachtige hydrothermale activiteit, fumarole en kokende zwembaden, variabel in pH en temperatuur in afhankelijkheid van seizoensgebondenheid, regenval en ondergrondse geologische bewegingen30. In dit perspectief beschrijven we een eenvoudig aan te brengen en effectieve manier om bacteriën te isoleren die resistent zijn tegen zware metalen, bijvoorbeeld Geobacillus stearothermophilus GF1631 (genoemd als isolaat 1) en Alicyclobacillus mali FL1832 (genoemd als isolaat 2) uit Pisciarelli gebied van Campi Flegrei.
Warmwaterbronnen bevatten een onaangeboorde diversiteit aan microbiomen met even uiteenlopende metabolische capaciteiten12. De ontwikkeling van strategieën voor de isolatie van micro-organismen die zware metalen efficiënt kunnen omzetten in minder toxische verbindingen10 vertegenwoordigt een onderzoeksgebied van groeiende interesse wereldwijd. Dit artikel heeft tot doel een gestroomlijnde aanpak te beschrijven voor de screening en isolatie van microben met het vermogen om…
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door ERA-NET Cofund MarTERA: “FLAshMoB: Functional Amyloid Chimera for Marine Biosensing”, PRIN 2017-PANACEA CUP:E69E19000530001 en door GoodbyWaste: ObtainGOOD products-exploit BY-products-reduce WASTE, MIUR 2017-JTNK78.006, Italië. Wij danken Dr. Monica Piochi en Dr. Angela Mormone (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Napoli Osservatorio Vesuviano, Italië) voor de identificatie en karakterisering van geothermische site.
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 |