전체 셀 Bioreporter 접근 물 불포화 시스템에서 유기 오염 물질의 운송과 생체 이용률을 평가하기 위해
Summary
부르크 홀데 리아의 sartisoli RP037-mChe와 전 세포 bioreporter 분석은 물 불포화 모델 시스템에서 공기로 채워진 모공을 해소 균사체에 의한 능동 수송 후 세균 분해 가능한 유기 오염 물질 (즉, 플루 오렌)의 분수를 감지하기 위해 개발되었다.
Abstract
Bioavailability of contaminants is a prerequisite for their effective biodegradation in soil. The average bulk concentration of a contaminant, however, is not an appropriate measure for its availability; bioavailability rather depends on the dynamic interplay of potential mass transfer (flux) of a compound to a microbial cell and the capacity of the latter to degrade the compound. In water-unsaturated parts of the soil, mycelia have been shown to overcome bioavailability limitations by actively transporting and mobilizing organic compounds over the range of centimeters. Whereas the extent of mycelia-based transport can be quantified easily by chemical means, verification of the contaminant-bioavailability to bacterial cells requires a biological method. Addressing this constraint, we chose the PAH fluorene (FLU) as a model compound and developed a water unsaturated model microcosm linking a spatially separated FLU point source and the FLU degrading bioreporter bacterium Burkholderia sartisoli RP037-mChe by a mycelial network of Pythium ultimum. Since the bioreporter expresses eGFP in response of the PAH flux to the cell, bacterial FLU exposure and degradation could be monitored directly in the microcosms via confocal laser scanning microscopy (CLSM). CLSM and image analyses revealed a significant increase of the eGFP expression in the presence of P. ultimum compared to controls without mycelia or FLU thus indicating FLU bioavailability to bacteria after mycelia-mediated transport. CLSM results were supported by chemical analyses in identical microcosms. The developed microcosm proved suitable to investigate contaminant bioavailability and to concomitantly visualize the involved bacteria-mycelial interactions.
Introduction
토양은 밀도가 박테리아 같은 미생물 1, 2의 넓은 범위에 의해 채워집니다. 그러나,이 서식지의 조건은 특히 물 이용 3의 관점에서, 도전이다. 박테리아는 영구적 이종 환경에서 최적의 조건 (4)를 검색 할 필요가 있지만, 물의 연속 필름 부재는 자유롭게 확산을 방해하도록 제한된 이동성 5 초래된다. 또한, 용질의 확산 속도 (예를 들어, 양분) 불포화 조건 하에서 6 낮아진다. 따라서, 박테리아와 영양분은 종종 물리적으로 분리하고 영양 접근성은 3 제한됩니다. 결과적으로, 물이 연속 상을 요구하지 않는 화학 물질에 대한 전송 벡터는 이러한 한계를 극복하는 데 도움이 있었다. 사실, 균류 및 oomycetes 많은 미생물하여 도달 모비 공기로 채워진 기공 공간을 통해 성장 할 수 있도록 사상 성장 양식을 개발했다LIZING는 실제 장거리 영양소 7, 8 탄소 물질을 분리. 심지어 박테리아 9 당 및 기타 에너지 원을 제공하는 생물학적 전송 벡터로서 작용할 수있다. 통풍 및 균사 생물의 전송은 또한 Pythium ultimum 10 또는 arbuscular mycorrhizal 곰팡이 (11)의 다환 방향족 탄화수소 (PAH)와 같은 소수성 유기 오염 물질에 대한 나타났다. PAH는 유비쿼터스 저조한 수용성 오염 물질이 토양에 12이기 때문에, 균사 매개 교통 잠재적 인 세균 degraders에 대한 오염 물질의 생체 이용률을 증가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 오염물 수송 총량 케미컬 직접 정량화 될 수있는 반면 분해 세균 및 다른 생물체에 의해 수송 균사 오염물 생체 이용률 쉽게 평가 될 수 없으며, 10을 의미한다.
다음 프로토콜 myce의 영향을 평가하기위한 방법을 제시직접 방식으로 세균 degraders에 오염 물질이 생체 이용률에 대한 LIA; 이 미생물 생태계에 오염 물질의 시공간에 미치는 영향에 대한 정보를 수집 할 수 있습니다. 우리는 어떻게 균사 전송 경로를 통해 PAH-굴욕 bioreporter 박테리아와 물리적으로 분리 된 PAH 포인트 소스를 연결하여 토양에 공기 – 물 인터페이스를 흉내 낸 정교한 불포화 소우주 시스템을 설정에 대해 설명합니다. 항공 운송은 제외되어 있기 때문에, 세균 PAH의 생체 이용률에 균사 기반 전송의 효과는 격리 방법으로 공부하실 수 있습니다. 보다 구체적으로, 세 개의 링 PAH 플루 오렌, 균사 유기체 Pythium ultimum과 bioreporter 박테리아 부르크 홀데 리아 sartisoli RP037-mChe (13)는 설명 소우주의 설정에 적용되었다. 세균 B. sartisoli RP037-mChe는 원래 셀 (14)에 페난 트렌 플럭스을 연구하기 위해 지어졌습니다에 PAH 플럭스의 결과로 녹색 형광 단백질 (eGFP는)을 강화 표현한다mCherry는 항시 적으로 발현되는 반면, 적색 형광 셀. 기자의 구성에 대한 자세한 정보는 TECON 등. 예비 시험에서 (13)에 의해 제공됩니다, 세균은 수영과 매우 느린 득시글 거리는 능력을 보이지 않았다. 그것은 균사의 상단에 조밀 한 서스펜션으로 적용 할 때 Pythium의 ultimum의 균사에 천천히 마이그레이션 할 수 있었다. 박테리아가 다음과 같은 프로토콜의 아가로 오스에 포함 되었기 때문에, 균사에 이주가 발생하지 않았다.
공 초점 레이저 주사 현미경 (CLSM)을 이용하여, bioreporter 박테리아는 소우주 직접 시각화 될 수 있고 eGFP는 표현은 소프트웨어 ImageJ에의 도움으로 (mCherry 신호에 비례) 세포의 양과 관련하여 정량화 할 수있다. 이것은 다른 시나리오에서 질적으로 생체 이용률을 비교 할 수 있습니다 (즉, 높거나 낮은). 독감은 P.에 의해 균사 전송 후 생물학적 인 것으로 밝혀졌다 ultimum (즉, 그것을) 음성 대조군보다 높았다. 또한, 프로토콜은 화학적 수단을 통해 매개 된 수송 균사의 총량을 정량화하고 동일한 소우주 규소 코팅 된 유리 섬유 (SPME 섬유)를 사용하여 생체 이용률 오염물을 확인하는 방법을 설명합니다. 이 소우주 설정을 사용하여 결과 발표 및 P.의 조합에 대해 논의되었다 ultimum, 플루 오렌 및 B. sartisoli RP037-mChe 15. 여기서, 초점은 상기 애플리케이션에 대한 가능성이 기술을 제공하는 방법의 상세한 설명 및 프로토콜의 전위 함정 식별에 놓여있다. 또한 응용 프로그램 (오염 된 사이트의 예) 각종 곰팡이, 박테리아 종을 포함, 및 기타 오염 물질 (예를 들면, 농약) 또는 오염 물질 공급 (예를 들어, 세 토양) 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 소우주 설정은 균사체에 의한 흡수와 수송 후 생물 분해에 공간적으로 분리 된 화학 물질의 생체 이용률을 연구하기에 적합 증명했다. 부분적 휘발성 화합물의 잠재적 기상 수송이 방지된다 bioreporter 박테리아 세포 성 시스템으로의 방해를 최소화하므로 정교한 시료 전처리없이 가시화 될 수있다. 동시에, 시료의 화학적 분석을 용이 얻은 결과 양호한 제어 및 전송의 총 수 정량을 실시 할…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Funding by the German Environmental Foundation (DBU) is acknowledged. The authors thank Ute Kuhlicke for technical help with CLSM analysis and Birgit Würz, Rita Remer, and Jana Reichenbach for skilled experimental help. The authors would particularly like to thank Prof. Jan Roelof van der Meer and Dr. Robin Tecon for fruitful discussion and providing the bioreporter strain. It contributes to the ‘Chemicals in the Environment’ (CITE) research program of the Helmholtz Association.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Confocal Microscope | Leica | TCS SP5X, LAS AF – Version 2.6.1; or equivalent CLSM | |
| GC HP 7890 Series GC and Agilent 5975C MSD | Agilent | an equivalent GC/MS may be used | |
| GC capillary column J&W 121-5522 | Agilent | ||
| Cork borer | Fisher Scientific | 12863952 | or any other |
| Cover slips | Marienfeld | 107222 | High performance, No.1.5H |
| GC/MS insterts | WICOM | WIC 47080 | |
| GC/MS vials 2 ml | WICOM | WIC 41150 | |
| Lids / septa for screw cap vials | DIONEX | 49463 / 049464 | |
| Lids for GC/MS vials | WICOM | WIC 43948/B | |
| Objective Slides | Menzel | ordinary | |
| PDMS coated glass fibers | Polymicro Technologies, Inc. | V (PDMS) = 13.55 ± 0.02 µL m-1 | |
| Petri Dishes small / big | Greiner | 633-102 / 628-102 | |
| Screw cap vials 40 ml | DIONEX | 48783 | other glass vials may be used |
| Screw cap vials 60 ml | DIONEX | 48784 | other glass vials may be used |
| Acenaphthylene d08 | Dr. Ehrenstorfer | C 20510100 | |
| Acetone | Carl Roth | 9372.2 | |
| Activated carbon | Sigma-Aldrich | 242276-1kg | |
| Agarose | Carl Roth | 2267.4 | |
| Fluorene | Fluka | 46880 | |
| Kanamycin sulfate | Carl Roth | T832.2 | 50 mg L-1 |
| Methanol | Carl Roth | P7171 | |
| Minimal Medium: | 100 mL solution 1 + 25 mL solution 2 + 5 mL solution 3 ad. 1000 mL aqua dest | ||
| Solution 1 | |||
| Ammonium sulfate | Carl Roth | 3746.1 | 5 g L-1 |
| Magnesium chloride x 6 H2O | Carl Roth | 2189.1 | 1 g L-1 |
| Calcium nitrate x 4 H2O | Carl Roth | P740.1 | 0.5 g L-1 |
| Solution 2 | |||
| Disodium phosphate | Carl Roth | P030.1 | 55.83 g L-1 |
| Monopotassium phosphate | Carl Roth | 3904.1 | 20 g L-1 |
| Solution 3 | pH 6.0 | ||
| Disodium EDTA | MERCK | 1084180250 | 0.8 g L-1 |
| Iron(II) chloride x 4 H2O | MERCK | 1038610250 | 0.3 g L-1 |
| Cobalt(II) chloride x 6 H2O | Carl Roth | T889.3 | 4 mg L-1 |
| Manganese(II) chloride x 1 H2O | Carl Roth | 4320.2 | 10 mg L-1 |
| Copper(II) sulfate | Carl Roth | P023.1 | 1 mg L-1 |
| Sodium molybdate x 2 H2O | Carl Roth | 0274.1 | 3 mg L-1 |
| Zinc chloride | MERCK | 1088160250 | 2 mg L-1 |
| Lithium chloride | Carl Roth | P007.1 | 0.5 mg L-1 |
| Tin(II) chloride x 2 H2O | Carl Roth | 4473.1 | 0.5 mg L-1 |
| Boric acid | Riedel-de-Haen | 11606 | 1 mg L-1 |
| Potassium bromide | Carl Roth | A137.1 | 2 mg L-1 |
| Potassium iodide | Carl Roth | 6750.1 | 2 mg L-1 |
| Barium chloride | Carl Roth | 4453.1 | 0.5 mg L-1 |
| MMA | Minimal medium + agarose 0.2 % | ||
| Phenanthrene d10 | Dr. Ehrenstorfer | C 20920100 | |
| Potato Dextrose Agar: | 24 g L-1 broth + bacto-agar 1.5 %; pH 6.8 | ||
| Potato Dextrose broth | Difco/ Beckton Dickinson | 254920 | |
| Bacto-agar | Difco/ Beckton Dickinson | 214040 | |
| Sodium acetate x 3 hydr. | Carl Roth | 6779.1 | |
| Sodium sulfate | MERCK | 1066495000 | |
| Toluene | MERCK | 1083252500 | |
| mTY medium: | 3 g L-1 yeast extract, 5 g L-1 bacto tryptone and 50 mM NaCl | ||
| Yeast extract | Merck | 1037530500 | |
| Tryptone | Serva | 4864702 | |
| Sodium chloride | Carl Roth | 3957.1 | |
| imageJ with logi tool plugin | http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html and http://downloads.openmicroscopy.org/bio-formats/4.4.10 | ||
| Pythium ultimum strain 67-1 | Obtained from the lab of Dr. Christoph Keel; Department of Fundamental Microbiology, University of Lausanne, Switzerland | ||
| Burkholderia sartisoli RP037-mChe | Obtained from the lab of Prof. Jan Roelof van der Meer; Department of Fundamental Microbiology, University of Lausanne, Switzerland |
References
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