Bioprospektion extremophiler Mikroorganismen zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung
Summary
Die Isolierung von schwermetallbeständigen Mikroben aus geothermischen Quellen ist ein heißes Thema für die Entwicklung von Bioremediations- und Umweltüberwachungsbiosystemen. Diese Studie bietet einen methodischen Ansatz zur Isolierung und Identifizierung von schwermetalltoleranten Bakterien aus heißen Quellen.
Abstract
Geothermische Quellen sind aufgrund der Wechselwirkung zwischen Gestein und Wasser, die im tiefen Grundwasserleiter stattfindet, reich an verschiedenen Metallionen. Darüber hinaus wird aufgrund der saisonalen Variation von pH-Wert und Temperatur in diesen extremen Umgebungen periodisch eine Fluktuation der Elementzusammensetzung beobachtet, die die mikrobiellen Umweltgemeinschaften beeinflusst. Extremophile Mikroorganismen, die in vulkanischen Wärmequellen gedeihen, haben Resistenzmechanismen entwickelt, um mehrere in der Umwelt vorhandene Metallionen zu handhaben und so an komplexen biogeochemischen Metallkreisläufen teilzunehmen. Darüber hinaus haben Extremophile und ihre Produkte auf dem Markt Fuß gefasst, und dies gilt insbesondere für ihre Enzyme. In diesem Zusammenhang ist ihre Charakterisierung funktional für die Entwicklung von Biosystemen und Bioprozessen zur Umweltüberwachung und Bioremediation. Bis heute stellen die Isolierung und Kultivierung extremophiler Mikroorganismen unter Laborbedingungen einen Engpass dar, um ihr biotechnologisches Potenzial voll auszuschöpfen. Diese Arbeit beschreibt ein optimiertes Protokoll zur Isolierung thermophiler Mikroorganismen aus heißen Quellen sowie deren genotypische und phänotypische Identifizierung durch die folgenden Schritte: (1) Probenahme von Mikroorganismen aus geothermischen Gebieten (“Pisciarelli”, ein vulkanisches Gebiet von Campi Flegrei in Neapel, Italien); (2) Isolierung von schwermetallresistenten Mikroorganismen; (3) Identifizierung von mikrobiellen Isolaten; (4) Phänotypische Charakterisierung der Isolate. Die in dieser Arbeit beschriebenen Methoden können im Allgemeinen auch für die Isolierung von Mikroorganismen aus anderen extremen Umgebungen angewendet werden.
Introduction
Die extremen Umgebungen auf unserem Planeten sind ausgezeichnete Quellen für Mikroorganismen, die in der Lage sind, raue Bedingungen (d.h. Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt, Druck und Schwermetalle) zu tolerieren1,2, wobei Island, Italien, USA, Neuseeland, Japan, Zentralafrika und Indien, die am besten anerkannten und untersuchten vulkanischen Gebietesind 3,4,5,6,7,8,9 . Thermophile haben sich in rauen Umgebungen in einem Temperaturbereich von 45 °C bis 80 °C10,11,12 entwickelt. Thermophile Mikroorganismen, die entweder zum archaealen oder bakteriellen Königreich gehören, sind ein Reservoir für das Studium der Biodiversität, der Phylogenese und der Produktion exklusiver Biomoleküle für industrielle Anwendungen 13,14,15,16. In der Tat hat in den letzten Jahrzehnten die kontinuierliche industrielle Nachfrage auf dem Weltmarkt die Ausbeutung von Extremophilen und Thermozymen für ihre vielfältigen Anwendungen in verschiedenen biotechnologischen Bereichen gefördert 17,18,19.
Heiße Quellen, in denen Organismen in Konsortien leben, sind reiche Quellen der biologischen Vielfalt und stellen somit einen attraktiven Lebensraum für die Erforschung der mikrobiellen Ökologiedar 20,21. Darüber hinaus werden diese vulkanischen metallreichen Gebiete häufig von Mikroorganismen besiedelt, die Toleranzsysteme entwickelt haben, um zu überleben und sich an das Vorhandensein von Schwermetallen anzupassen22,23 und daher aktiv an ihren biogeochemischen Kreisläufen beteiligt sind. Schwermetalle gelten heute als prioritäre Schadstoffe für Mensch und Umwelt. Die schwermetallresistenten Mikroorganismen sind in der Lage, Metalle zu lösen und auszufällen, indem sie sie transformieren und ihre Ökosysteme umgestalten24,25. Das Verständnis der molekularen Mechanismen der Schwermetallresistenz ist ein heißes Thema für die Dringlichkeit, neuartige grüne Ansätze zu entwickeln26,27,28. In diesem Zusammenhang stellt die Entdeckung neuer toleranter Bakterien den Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Strategien zur ökologischen Bioremediationdar 24,29. Begleitend zu den Bemühungen, hydrothermale Umgebungen durch mikrobiologische Verfahren zu erforschen und das Wissen über die Rolle der Gene, die der Schwermetalltoleranz zugrunde liegen, zu erweitern, wurde ein mikrobielles Screening im Thermalgebiet von Campi Flegrei in Italien durchgeführt. Diese schwermetallreiche Umgebung zeigt eine starke hydrothermale Aktivität, Fumarol- und Siedebecken, die in Abhängigkeit von Saisonalität, Niederschlag und geologischen unterirdischen Bewegungen variabelsind 30. In dieser Perspektive beschreiben wir eine einfach anzuwendende und wirksame Möglichkeit, Bakterien, die gegen Schwermetalle resistent sind, zu isolieren, zum Beispiel Geobacillus stearothermophilus GF1631 (benannt als Isolat 1) und Alicyclobacillus mali FL18 32 (benannt als Isolat 2) aus dem Pisciarelli-Gebiet von Campi Flegrei.
Protocol
Representative Results
Discussion
Heiße Quellen enthalten eine ungenutzte Vielfalt von Mikrobiomen mit ebenso unterschiedlichen Stoffwechselkapazitäten12. Die Entwicklung von Strategien zur Isolierung von Mikroorganismen, die Schwermetalle effizient in weniger toxische Verbindungenumwandeln können 10 stellt weltweit ein Forschungsgebiet von wachsendem Interesse dar. Dieses Papier zielt darauf ab, einen optimierten Ansatz für das Screening und die Isolierung von Mikroben mit der Fähigkeit, toxischen Che…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von ERA-NET Cofund MarTERA: “FLAshMoB: Functional Amyloid Chimera for Marine Biosensing”, PRIN 2017-PANACEA CUP:E69E19000530001 und von GoodbyWaste: ObtainGOOD products-exploit BY-products-reduce WASTE, MIUR 2017-JTNK78.006, Italien. Wir danken Dr. Monica Piochi und Dr. Angela Mormone (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Napoli Osservatorio Vesuviano, Italien) für die Identifizierung und Charakterisierung der geothermischen Stätte.
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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