Forurening påvirker alle biomer. Marine miljøer har været særligt påvirket, især koralrev, et af de mest følsomme økosystemer på jorden. Bioremediation er kapaciteten af organismer til at nedbryde forurenende stoffer. Her beskriver vi metoder til at isolere og teste mikrober præsenterer bioremediering evne og potentielle probiotiske egenskaber for koraller.
Forurening påvirker alle biomer. Marine miljøer har været særligt påvirket, især koralrev, et af de mest følsomme økosystemer på jorden. Globalt set er 4.500.000.000 mennesker økonomisk afhængige af havet, hvor de fleste af deres levebrød leveres af koralrev. Koraller er af stor betydning, og derfor deres udryddelse fører til katastrofale konsekvenser. Der er flere mulige løsninger til afhjælpning af havforurening og lokal forurening, herunder bioremedisering. Bioremediation er kapaciteten af organismer til at nedbryde forurenende stoffer. Tilgangen giver flere fordele, såsom bæredygtighed, relativt lave omkostninger og den kendsgerning, at den kan anvendes i forskellige økosystemer, hvilket medfører minimal påvirkning af miljøet. Som en ekstra fordel, manipulation af endogene mikrobiomer, herunder formodede gavnlige mikroorganismer for koraller (pBMCs), kan have probiotiske virkninger for marine dyr. I denne sammenhæng kan brugen af de to tilgange, bioremediering og PBMC inokulation kombineret, være lovende. Denne strategi vil fremme nedbrydningen af specifikke forurenende stoffer, der kan være skadelige for koraller og andre meta organismer og samtidig øge værts modstanden og modstandsdygtighed over for forurening og andre trusler. Denne metode fokuserer på udvælgelsen af pBMCs til at nedbryde to forurenende stoffer: syntetisk østrogen 17a-ethinylestradiol (EE2) og råolie. Begge er blevet rapporteret at negativt påvirke Marine dyr, herunder koraller, og mennesker. Protokollen beskriver, hvordan man isolerer og tester bakterier, der kan forringe de specifikke forurenende stoffer, efterfulgt af en beskrivelse af, hvordan man opdager nogle formodede gavnlige egenskaber ved disse tilknyttede mikrober til deres koral vært. De metoder, der er beskrevet her, er relativt billige, nemme at udføre og meget tilpasningsdygtige. Næsten enhver form for opløselige Target sammensatte kan anvendes i stedet for EE2 og olie.
Forurening er et vigtigt spørgsmål, der berører menneskers, dyrs og plan ternes sundhed Selv om forurening kan være naturlige, såsom vulkanaske1, menneskelige aktiviteter er den primære årsag til de fleste forurening. Antropogene aktiviteter forurener jord, vand og luft, som direkte eller indirekte fører til næsten 20.000.000 for tidlige menneskelige dødsfald2 og decimerer milliarder af andre former for liv årligt. Forurenende stoffer er til stede selv i de mest fjerntliggende områder af planeten. For eksempel er tungmetaller og persistente organiske forbindelser blevet påvist i dybvands hvirvelløse dyr og polære pattedyr, henholdsvis3,4.
Havmiljøer er især blevet påvirket af forurening. I lang tid, det blev antaget, at havet ville forblive upåvirket og levere en endeløs kilde af varer på grund af sin massive mængde vand5. Af denne grund, alle typer af industri og institutioner frit frigivet affald i vandområder i århundreder6,7. Flere forurenende stoffer af alle typer, såsom plast8, syntetiske hormoner9, pesticider10, olie11, næringsstoffer12, tungmetaller3, og radioaktivt affald13 er blevet rapporteret som påvirker havets økosystemer. I denne sammenhæng er koralrev blandt de vigtigste og mest følsomme økosystemer i havmiljøet14. Rev er kyst beskyttere, afgørende for udviklingen af tusindvis af marine arter ved at spille væsentlige roller i næringsstoffer cykling og klimakontrol. Rev også bidrage til økonomien ved at levere fisk, varer og turisme, blandt andre15. For eksempel, 4.500.000.000 mennesker er afhængige af havets fisk som deres vigtigste fødekilde16, som er stærkt støttet af koralrev.
Uanset deres økologiske, sociale og økonomiske betydning, er koralrev bliver decimeret17,18. Menneskeskabte aktiviteter er primært ansvarlige for at bidrage til de tre vigtigste årsager til koraller død: klimaændringer, overfiskning, og vandforurening19. Selv om det er vigtigt at arbejde på afbødning af den globale opvarmning, er det også vigtigt at arbejde på at minimere lokal forurening, herunder vandforurening, der kan kritisk bidrage til koral tilbagegang20. Derfor er der et presserende behov for udvikling af strategier til at øge koraller ‘ levetid, som kunne give dem ekstra tid til at tilpasse sig og overleve.
I denne forbindelse er det yderst vigtigt at finde løsninger, der minimerer forureningen og udvikler strategier til at øge korals egnethed. Strategier til afhjælpning af forurenende stoffer i havene er meget forskellige og kan inddeles i fysiske, kemiske og biologiske tilgange. Fysiske tilgange er nyttige. Men de er ikke altid effektive. For eksempel kan plastaffald minimeres ved fysisk fjernelse, mens vandopløselige forbindelser har brug for andre metoder, der skal elimineres. Eksempler på sådanne forbindelser er råolie, frigivet af olieindustrien aktiviteter og udslip, samt andre mikroforurenende stoffer, såsom syntetiske hormoner, der normalt anvendes som den østrogene komponent i orale præventionsmidler og til stede i spildevand21, 22. brugen af kemiske stoffer til at mindske forureningen kan løse et specifikt problem, men det kan også udgøre en ekstra forureningskilde. Dette er tilfældet med kemiske dispergeringsmidler til at afbøde olieforurening, som er blevet beskrevet som endnu mere giftige for marine økosystemer end selve olieforureningen23. Af disse grunde, biologiske tilgange præsentere flere fordele i forhold til de andre metoder. Bioremediation er kapaciteten af levende organismer, eller deres metaboliske produkter, at omdanne forurenende stoffer til mindre giftige eller ikke-giftige former24. De vigtigste fordele ved at bruge biologiske metoder er bæredygtighed, relative lave omkostninger, det faktum, at de er miljøvenlige, og at de kan anvendes i forskellige økosystemer, der forårsager minimal eller færre indvirkninger på miljøet21, 25,26,27.
Desuden giver manipulation af det mikrobielle samfund i et miljø mulighed for en ekstra potentiel fordel. Der er mikrobiomer, der er forbundet med værter og er afgørende for deres helbred. Det er velkendt, at disse tilknyttede symbiotiske mikrobiomer er nødvendige for at opretholde værts homøostase19. Manipulation af disse associerede mikroorganismer er blevet godt udforsket for værter som planter og pattedyr28,29, men brugen af koral probiotika er stadig roman15. Koraller også vært, interagere med, og afhænger af store og specifikke populationer af mikroorganismer til at overleve19. Disse mikrobielle samfunds rolle i den sundhedsmæssige og dysbiosis af koraller er under aktiv undersøgelse, men det er stadig langt fra fuldt forstået30. En af de mest populære hypoteser kaldes koral probiotiske hypotese. Det foreslås, at der findes et dynamisk forhold mellem symbiotiske mikroorganismer og miljøforhold, som medfører udvælgelse af de mest fordelagtige koral metasteismer31. Baseret på disse oplysninger, centrale potentielle probiotiske mekanismer, samt strategier for isolation, manipulation, og levering af gavnlige mikroorganismer til koraller (BMCs) til flere formål, blev foreslået32 og testet33. Disse potentielle gavnlige egenskaber omfatter modstandsdygtighed over for temperaturstigning, beskyttelse mod reaktive oxygenarter (ROS), Kvælstoffiksering, modstandsdygtighed over for forurenende stoffer og biologisk bekæmpelse af patogener, blandt andre32.
Denne undersøgelse fokuserer på udvælgelsen af BMCs og frie levende mikroorganismer, som præsenterer evnen til at nedbryde to forurenende stoffer, som almindeligvis findes i Marine miljøer: syntetisk østrogen 17a-ethinylestradiol (EE2) og råolie. Forurenende stoffer indeholdende hormon aktive stoffer er ofte til stede i vandområder34,35,36,37,38,39,40, 41af42. Blandt dem, syntetisk østrogene endokrine-disruptor forbindelser (Edc’er) efterligner virkningen af østrogener på målceller, forårsager flere virkninger på dyr, herunder brystkræft, barnløshed, og hermaphroditisme9. EE2 udskilles af mennesker på grund af brugen af orale præventionsmidler. Det fjernes ikke fra spildevand fra traditionelle spildevandsrensningsanlæg og har negative virkninger selv ved meget lave koncentrationer (f. eks. ng/l eller μg/l)43,44,45. Lidt er kendt om virkningerne af østrogener på koral fysiologi46,47. På andre hvirvelløse vanddyr, såsom svampe, krebsdyr og bløddyr, blev østrogener dog rapporteret at forårsage flere negative virkninger, der hovedsagelig vedrørte reproduktion, såsom udvikling og/eller stimulering af kønsceller, ændring i enzymatiske og protein handlinger, problemer i embryonale processer, og andre48,49,50,51,52. De negative konsekvenser forårsaget af EE2 forurening understreger nødvendigheden af at udvikle bæredygtige tilgange til at fjerne denne forbindelse fra miljøet uden at påvirke det marine liv.
Parallelt med olie, der i øjeblikket tegner sig for næsten 40% af verdens forbrugte energikilder53, forekommer kronisk kontaminering og olieudslip ofte i nærheden af Reef Areas11. Olieforurening blev rapporteret at forårsage negative virkninger i flere arter af marine dyr, fugle, planter, og mennesker54,55,56,57. På koraller, det forårsager blegning, reducerer modstanden af larver til termisk stress58, forstyrrer de mikrobielle associerede samfund21, og forårsager vævsnekrose. Hertil kommer, kemiske dispergeringsmidler, en olie oprydning teknik almindeligt anvendt af olieselskaber til at afhjælpe spild, er endnu mere giftige for koraller end selve olien23. Gavnlige mikroorganismer isoleret fra koraller, i modsætning, er kendt for at spille afgørende roller på vært sundhed. Men, manipulation af disse potentielle probiotika skal være bedre udforsket for at undersøge mulige negative bivirkninger og de metaboliske kapaciteter, der kan screenes for at forbedre egnetheden af meta organismen. I denne sammenhæng, egenskaber såsom antimikrobiel aktivitet mod koral patogener, produktion af katalase til bekæmpelse af oxidativt stress, evnen til at nedbryde urinstof (som kan have vigtige roller i forkalkning proces), og tilstedeværelsen af gener at give potentielle gavnlige egenskaber, blandt andre, skal være i fokus i undersøgelsen. Her viser vi hvordan bioremediering og probiotika kan bruges til samtidig afbøde virkningerne af forurening og forbedre koral sundhed. Udviklingen af innovative tilgange, der kan anvendes som interventioner for at øge den marine Arts vedholdenhed, udgør et skridt i retning af en mere bæredygtig og sundere Planet.
Bioremediation tilgange er blevet massivt udforsket i løbet af de sidste 50 år. For eksempel er over 200 mikrober blandt bakterier, cyanobakterier, mikroalger og svampe i flere forskellige habitater blevet udpeget som i stand til at angive tilstedeværelsen og/eller forringe olie carbonhydrider62,63,64 . Desuden er andre klasser af forbindelser, der forårsager virkninger for miljøet og for mennesker, såsom plast, Bisphenol a A, endokrine disruptorer, og tungmetaller, mål for bioremediering teknik udvikling65,66, 67. På den anden side, marine probiotiske udvikling har været begrænset til de områder, der har en indlysende indvirkning på økonomien, såsom fisk probiotika i akvakultur68,69. Men, isolering og karakterisering af gavnlige mikroorganismer til at beskytte koralrev, marine økosystemer, der støtter fiskeri, turisme, og andre rentable aktiviteter, er begyndt at blive værdsat15. Her, en billig, nem og tilgængelig protokol til at vælge forurenende nedbrydende mikroorganismer, der også kan præsentere potentielt gavnlige egenskaber for lokale marine økosystemer, især formodede gavnlige mikroorganismer til koraller (pBMCs), er Beskrevet.
Desuden er den metode, der påvises her, meget tilpasningsdygtig til flere forbindelser og forskellige typer af mikrobielle kilder. Det er muligt at målrette mod forskellige forurenende stoffer ved at erstatte den eneste kulstofkilde, der er føjet til minimums mediet. Til dette, i stedet for olie eller EE2, andre forbindelser bør tilsættes i den ønskede koncentration. Dette ville være det selektive pres for at isolere nedbrydere for de målrettede forurenende stoffer. F. eks. er mikroorganismer, som kan forringe andre klasser af hormonforstyrrende stoffer, allerede blevet udvalgt og afprøvet med samme metode70. Desuden kan andre marine og terrestriske organismer, såsom svampe og planter71,72, samt forskellige typer af miljøprøver, såsom jord, brændsel og klipper, anvendes som de nedværdigende-mikrobielle kilder25, 73af74. For eksempel var det muligt at detektere og isolere kulbrinte nedbrydende bakterier fra forskellige jord-og sedimentprøver25,54,63,64,75. Endelig, udføre mindre ændringer i medierne, kan mikroorganismer end bakterier let vælges som de nedværdigende-mikrober. For eksempel, en mikroalger stamme med evnen til effektivt nedbryde østrogen forbindelser er blevet rapporteret76.
Ideelt, bioremediation-probiotiske konsortier skal samles for hver specifik forbindelse eller område. Mikrober, der vokser i et bestemt miljø, kan ikke vokse så godt i nye steder i forhold til deres indfødte forhold. Da forskerne ikke har fundet et produkt, der kan anvendes effektivt under alle de forskellige miljøforhold, bør der gennemføres en ny konsortie forsamling for hver specifik situation. Dette ville være beslægtet med personlig medicin til miljø-skræddersyet opsving. Derfor er oprettelsen af en centralbank af mikrobielle stammer med potentielle probiotiske egenskaber og nedbrydnings kapacitet et afgørende skridt for fremskridtene på dette område. Dette initiativ vil spare tid og arbejde og bidrage til forsamlingen af nye specifikke konsortier på verdensplan.
Mikroorganismer, der er forbundet med koraller (dvs. mikroalger, bakterier, archaea, svampe og vira) har en kompleks og indviklet rolle i opretholdelsen af værts homøostase19. Miljømæssige stressorer, såsom forurening, kan også destabilisere koral mikrobiomet, hvilket resulterer i dysbiosis, som kan forårsage sygdom og dødelighed30. De mekanismer, hvormed koral mikrobiomet kan støtte koral sundhed er begyndt at blive afsløret. Disse mekanismer er nøglen til at forstå koral resistens og modstandsdygtighed over for miljømæssige stressorer og dermed til at fremme Reef vedholdenhed og bevaring. Desuden vil resultaterne på området bidrage til at forstå generelle vært-mikrobiom interaktioner, som kan bidrage til udviklingen af bedre probiotika og sundhedsfremmende strategier på andre områder. Det er også vigtigt at bedre undersøge, hvordan disse probiotika inokulationer kan forstyrre meta organismens helbred under stress begivenheder. For eksempel, arbejde viser, at augmentation i koral præstation skyldes probiotika og ikke blot koral ved hjælp af bakterier som en fødekilde er stadig behov.
Parallelt hermed er udviklingen af nye partnerskabstilgange og forbedringen af de eksisterende konsortier af stor betydning. Alternative metoder til konsortie immobilisering samt innovative tilgange, såsom inokulerende koral føde (dvs., artemia og rotifers) og bruge dem som vektorer, er lovende. Disse leveringssystemer kan også ændres til at målrette andre marine organismer og vil være afgørende for succesen af marine probiotika felt.
Forureningsbekæmpelse og Coral Reef vedholdenhed er i øjeblikket to af de vigtigste emner, der er fremhævet i miljøkonferencer regelmæssigt. Agenda 2030, et dokument offentliggjort af de Forenede Nationer, der beskriver de globale mål, som samfundet skal nå for at muliggøre en bæredygtig fremtid, afsætter specifikke mål for hvert spørgsmål. Mens mål 6 fremhæver vigtigheden af forbedring af vandkvaliteten ved at reducere forureningen, styrker mål 14 relevansen af bevaring og bæredygtig udnyttelse af havene, havene og havets ressourcer77. I denne forbindelse afhænger koralrevets bevaring af ændringer, der bør opnås i den nærmeste fremtid, herunder forurenings afbødning. Dette er af stor betydning, fordi de fleste massive koral tab opstod, da andre faktorer blev føjet til klimabegivenheder, såsom lokale habitat ødelæggelse og forurening78,79. Dette papir viste, at det er muligt at kombinere bioremediering og PBMC inokulation at nedbryde specifikke forurenende stoffer, mens det kan øge koral modstand og modstandsdygtighed over for forurenende stoffer og andre spørgsmål. Optimering af eksisterende protokoller og/eller udvikling af innovative metoder, kombineret eller selvstændigt anvendt, vil være afgørende for at bestemme fremtiden for marine økosystemer.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev udført i forbindelse med det igangværende R & D-projekt, der blev registreret som ANP 21005-4, “PROBIO-DEEP-undersøgelse af potentielle virkninger forårsaget af olie-og gasefterforskning på dybhavs Marine holobionter og udvælgelse af potentielle bioindikatorer og bioremediseringsprocesser for disse økosystemer “(UFRJ/Shell Brasil/ANP) –” PROBIO-DEEP-Levantamento de potenciais impactos causados pela exploração de óleo e Gás EM holobiontes Marinhos EM Mar profundo e seleção de potenciais bioindicadores e processos biorremediadores para esses ecossistemas “, sponsoreret af Shell Brasil under ANP R & D Levy som” Compromisso de investimentos com pesquisa e Desenvolvimento. Forfatterne takker også Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) og Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) for økonomisk støtte, og til Camila Messias, Phillipe Rosado og Henrique Fragoso dos Santos, for de leverede billeder.
500 mL PYREX Media Storage Bottle | thomas scientific/Corning | 1743E20/1395-500 | Used to sample water. |
500 mL Aspirator Bottles | thomas scientific/Corning | 1234B28/1220-2X | Used to separate the oil fractions. |
6-inch wire cutter plier | thomas scientific/Restek | 1173Y64/23033 | Used to cut coral fragments. |
17a-Ethinylestradiol | LGC Standards | DRE-C13245100 | Used as the only carbon source to make the selective media. |
Agar | Himedia | PCT0901-1KG | Used to make solid media. |
Bushnell Haas Broth | Himedia | M350-500G | Used as minimum media to be supplemented with carbon sources. |
Erlenmeyer Flask | thomas scientific/DWK Life Sciences (Kimble) | 4882H35/26500-125 | Used to incubate coral macerate with glass beads. |
GFX PCR DNA and Gel Band Purification kit | GE Healthcare | 28903470 | Used to purify PCR products before sending them for sequencing. |
Glass Beads | MP Biomedicals | 1177Q81/07DP1070 | Used to detach the microorganisms from coral structures. |
Laminar Flow Hood | Needed to work at sterile conditions. | ||
Luria Bertani Broth, Miller (Miller Luria Bertani Broth) | Himedia | M1245-1KG | Used as rich media to grow bacteria. |
Marine Agar 2216 (Zobell Marine Agar) | Himedia | M384-500G | Used as rich media to grow bacteria. |
Orbital-Shaker Incubator | Used to incubate liquid media and oil. | ||
Plates Incubator | Used to incubate plates. | ||
Porcelain Mortar and Pestle | Thomas scientific/United Scientific Supplies | 1201U69/JMD150 | Used to macerate coral fragments. |
Qubit 2.0 Fluorometer | Invitrogen | Used for nucleic acids quantification of DNA and PCR products. | |
Refrigerated Centrifuge | Used to centrifuge bacterial cultures. | ||
Spectrophotometer | Used to measure optical density of bacterial cultures. | ||
Wizard Genomic DNA Purification kit | Promega | A1120 | Used for microbial strains DNA extraction. |