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Research Article
Helena D. M. Villela1, Caren L. S. Vilela1, Juliana M. Assis1, Natascha Varona2, Camille Burke2, David A. Coil2, Jonathan A. Eisen2, Raquel S. Peixoto1,2,3
1LEMM, Laboratory of Molecular Microbial Ecology, Institute of Microbiology Paulo de Góes,Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), 2Genome Center,University of California, Davis, 3IMAM-AquaRio - Rio de Janeiro Aquarium Research Center
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
污染影响所有生物群系。海洋环境受到的影响特别大,特别是珊瑚礁,这是地球上最敏感的生态系统之一。生物修复是生物降解污染物的能力。在这里,我们描述了分离和测试微生物的方法,这些微生物具有珊瑚的生物修复能力和潜在的益生菌特性。
污染影响所有生物群系。海洋环境受到的影响特别大,特别是珊瑚礁,这是地球上最敏感的生态系统之一。在全球范围内,有45亿人在经济上依赖海洋,他们的大部分生计由珊瑚礁提供。珊瑚非常重要,因此它们的灭绝会带来灾难性的后果。有几种可能的解决方案可以修复海洋污染物和局部污染,包括生物修复。生物修复是生物降解污染物的能力。该方法具有若干优点,如可持续性、相对较低的成本,以及它可以应用于不同的生态系统,对环境造成的影响最小。作为额外的优势,内源微生物群的操纵,包括对珊瑚的假定有益微生物(pBMCs),可能对海洋动物具有益生菌效应。在这方面,生物补救和pBMC接种两种方法相结合是大有希望的。这一战略将促进可能对珊瑚和其他微生物有害的特定污染物的降解,同时提高宿主应对污染和其他威胁的抵抗力和复原力。该方法侧重于选择pMMC来降解两种污染物:合成雌激素17a-乙酯醇(EE2)和原油。据报道,这两种动物都对海洋动物(包括珊瑚和人类)产生了负面影响。该协议描述了如何分离和测试能够降解特定污染物的细菌,然后描述如何检测这些相关微生物对其珊瑚宿主的一些假定有益特性。此处描述的方法相对便宜,易于执行,适应性很强。几乎任何类型的可溶性靶化合物都可以代替EE2和油。
污染是影响全球人类、动物和植物健康的主要问题。虽然污染可能是自然的,如火山灰1,人类活动是大多数污染的主要原因。人为活动正在污染土壤、水和空气,直接或间接导致近2 000万人过早死亡2,每年造成数十亿种其他形式的生命死亡。即使在地球上最偏远的地区,也存在污染物。例如,在深海无脊椎动物和极地哺乳动物中分别发现了重金属和持久性有机化合物,分别为3、4。
海洋环境尤其受到污染的影响。长期以来,人们一直认为海洋不会受到影响,而且由于其大量的水量,它将继续提供无穷无尽的货物。为此,各类行业和机构在水体中自由释放废物长达几个世纪6,7。各类污染物,如塑料8、合成激素9、农药10、油11、营养物质12、重金属3、放射性废物13等,均被报告为影响海洋生态系统。在这方面,珊瑚礁是海洋环境中最重要和最敏感的生态系统之一。珊瑚礁是沿海保护者,通过在养分循环和气候控制中发挥重要作用,对数千种海洋物种的发展至关重要。珊瑚礁也通过提供鱼类、商品和旅游业等为经济做出贡献。例如,45亿人依赖海洋鱼类作为主要食物来源16,珊瑚礁大大支持海洋鱼类。
无论珊瑚礁在生态、社会和经济上的重要性如何,珊瑚礁正在遭到17、18的毁灭。人为活动是造成珊瑚死亡的三个主要原因的主要原因:气候变化、过度捕捞和水污染19。尽管努力减缓全球变暖固步重要,但努力尽量减少局部污染,包括水污染也很重要,因为当地污染会严重促进珊瑚减少20。因此,迫切需要制定战略,增加珊瑚的寿命,从而为珊瑚提供额外的适应和生存时间。
在这方面,极为重要的是找到解决办法,尽量减少污染,并制定战略,提高珊瑚的适应性。修复海洋污染物的战略非常多样化,可以分为物理、化学和生物方法。物理方法是有帮助的。然而,它们并不总是有效的。例如,塑料废物可以通过物理去除来最小化,而水溶性化合物需要其他方法加以消除。此类化合物的例子包括石油工业活动和泄漏释放的原油,以及其他微污染物,如合成激素,通常用作口服避孕药中的雌激素成分,并存在于污水中 2122.使用化学物质来减少污染可以解决一个具体问题,但它也可能构成额外的污染源。化学分散剂就是这种情况,这种分散剂可以减轻石油污染,因为石油污染对海洋生态系统的毒性甚至比石油污染本身还要严重。由于这些原因,与其他方法相比,生物方法具有若干优点。生物修复是生物或其代谢产物将污染物转化为毒性较小或无毒形式的能力。使用生物方法的主要优点是可持续性、相对低成本、生态友好性,而且它们可应用于不同的生态系统,对环境造成最小或更少的影响21 25,26,27.
此外,环境中微生物群落的操纵允许额外的潜在优势。有与宿主相关的微生物群落,并且对其健康至关重要。众所周知,这些相关的共生微生物群落是维持宿主平衡所必需的19。这些相关微生物的操纵已经为植物和哺乳动物等宿主进行了很好的探索,但珊瑚益生菌的使用仍然是新颖的。珊瑚也承载、相互作用,并依靠大量和特定的微生物种群来生存。这些微生物群落在珊瑚的健康和生物发育中的作用正在积极研究中,但还远远没有完全理解。最流行的假说之一被称为珊瑚益生菌假说。它表明共生微生物与环境条件之间存在动态关系,从而选择最有利的珊瑚元体31。根据这一信息,提出了关键的潜在益生菌机制,以及分离、操作和为珊瑚(BmCs)提供多种用途的有益微生物的策略,并测试了33个。这些潜在的有益特性包括耐温度升高、保护活性氧物种(ROS)、固氮、抗污染物和生物控制病原体等32。
本研究侧重于选择小轮车和自由生物微生物,它们具有降解海洋环境中常见的两种污染物的能力:合成雌激素17a-乙酯醇(EE2)和原油。含有激素活性剂的污染物通常存在于水体34,35,36,37,38,39,4041,42.其中,合成雌激素内分泌干扰化合物(EDCs)模仿雌激素对靶细胞的作用,对动物造成多种影响,包括乳腺癌、不孕症和雌激素症9。EE2由于口服避孕药被人类排泄。传统污水处理厂不会从污水中去除,即使在非常低的浓度(例如,ng/L 或 μg/L)43、44、45中,也会产生负面影响。关于雌激素对珊瑚生理的影响,人们知之甚少。然而,在其他海洋无脊椎动物,如海绵,甲壳类和软体动物,雌激素被报告造成一些主要与繁殖有关的负面影响,如发育和/或刺激配子,改变酶和软体动物蛋白质作用,胚胎过程中的问题,和其他人48,49,50,51,52。EE2污染造成的负面后果突出表明,必须制定可持续的办法,在不影响海洋生物的情况下从环境中清除这种化合物。
与此同时,由于石油目前占世界消耗能源的近40%,因此,长期污染和漏油往往发生在11号礁石区附近。据报道,石油污染对海洋动物、鸟类、植物和人类造成负面影响54、55、56、57。在珊瑚上,它导致漂白,降低幼虫对热应力的抵抗力,破坏微生物相关群落21,并引起组织坏死。此外,化学分散剂,一种石油公司通常用来补救漏油的石油补救技术,对珊瑚的毒性甚至比石油本身还要严重。相比之下,从珊瑚中分离出的有益微生物在宿主健康中起着至关重要的作用。然而,必须更好地探索这些潜在的益生菌的操纵,以调查可能的负面副作用和代谢能力,可以筛选,以提高代谢组织的健康。在此背景下,诸如对珊瑚病原体的抗菌活性、生产催化酶以对抗氧化应激、降解尿素的能力(可能在钙化过程中发挥重要作用)以及基因的存在等特征赋予潜在的有益特征,除其他外,必须成为调查的重点。在这里,我们展示如何利用生物修复和益生菌来同时减轻污染的影响,提高珊瑚健康。开发创新办法,作为干预措施,增加海洋物种的持久性,是朝着一个更可持续、更健康的地球迈出的一步。
1. 水和珊瑚的收集和储存,用于微生物隔离
注:必须测量采样点的坐标和温度。如果可能,盐度、pH、深度和光强度等元数据也有助于找到微调的培养方法以及未来对数据的解释。为获得可靠的结果,请尽可能将样品存储在最短时间内。如果样品没有保持在适当的温度和/或长期储存,水/珊瑚微生物群可能会有很大变化。如果在收集后没有立即执行隔离步骤,则在处理之前将样品保持在 4°C 至关重要。样品储存的时间越长,即使在4°C下,微生物群落的变化也越多。
2. 从海水和/或珊瑚中分离EE2降解细菌
3. 从海水和/或珊瑚中分离油降解细菌
4. 联盟成员选择
5. 检测珊瑚的假定有益特性
根据本文描述的方法,有可能从不同的水源中分离出微生物和具有假定的BMC特性的珊瑚核素,并能够降解不同类别的污染物(图1)。利用从里约热内卢联邦大学环境卫生实验中心(SSA-UFRJ)收集的污水处理厂水样,并根据此处介绍的程序,33种能够降解EE2的细菌菌株最终浓度为5mg/L(图2A)。此外,使用技术选择油降解细菌,20个菌株能够降解oWSF(图2B)和oWIF(图2C)被分离。
在不同条件下从不同珊瑚物种分离的微生物中筛选出假定的BMC特性。其中,对珊瑚病原体Vibrio珊瑚菌产生强烈对抗活性的菌株(图3A),能够降解尿素的菌株(图3B),良好的催化酶生产者(图3) C),发现具有潜在有益基因的微生物(图3D)。
采用这两种方法(即生物补救和BMC接种),可以保护珊瑚免受石油接触的影响。为此,一个从珊瑚Musismiliaharttii分离出来的石油生物重组者pBMC联合体,在珊瑚核素上接种了在三胞胎21中暴露于1%的油。接触石油的处理从第四天开始Fv/Fm逐渐减少,到第十天接近零值。可变荧光/最大荧光(Fv/Fm)提供了对人畜共和酶最大光系统II(PSII)光化学效率的测量,代表对珊瑚健康的间接测量。另一方面,与联合体一起接种的水族馆中的珊瑚核素显示出保存较好的光化学能力(图4)。

图1:生物再子-pBMC联合体选择和组装的主要步骤摘要。污染物降解微生物选择步骤(灰色)和用于联合体微生物选择的最后步骤方案(DNA测序、生长曲线、对抗试验和红色联合体组装)。请点击此处查看此图的较大版本。

图2:污染物降解细菌的选择。(A) 细菌分离物生长在含有EE2的最小介质板上,作为唯一的碳源。(B) 细菌菌落生长在含有oWSF的最小介质板上,作为唯一的碳源。(C) 细菌菌落生长在含有oWIF作为唯一碳源的最小介质板上。请点击此处查看此图的较大版本。

图3:pBMC特性检测。(A) 菌株三联体中的斑点,对珊瑚病原体Vibrio 珊瑚菌(黑色)和控制菌株(绿色)呈对抗活性。(B) 在含有尿素的介质上生长的菌株是唯一的碳源.(C) 产生催化酶 (+) 和坏催化酶生产者应变 (-) 的应变。(D) NIRK基因PCR检测示例(通道1=1kb梯;车道2=空白DNA提取阴性对照;车道3=nirK检测;通道4=PCR反应,无模板DNA)。请点击此处查看此图的较大版本。

图4:使用潜水-PAM叶绿素荧光计,在下午5点对M.harttii nubbins进行暗变的Fv/Fm测量。处理控制联合体、石油和石油联合体的Fv/Fm测量每天进行三次测量,为期10天。显示标准偏差。图形的特征在得到之前结果21的许可后进行了修改,在知识共享归因4.0下https://www.nature.com/articles/srep18268提供。http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/的完整条款。请点击此处查看此图的较大版本。
| Moa | 微生物 | 检测技术 | 引用 |
| 气候调节;surfur循环;抗菌化合物;增加对细胞的抗氧化保护。 | 阿斯珀吉鲁斯·西多维 | ddDP基因的PCR | 81 |
| 伪维布里奥 sp. P12 | 具有 DMSP 的区域性介质 | 82 | |
| 伪阿尔特莫纳斯 sp. | dmdA基因的PCR | 33 | |
| 病原体的生物调节。 | 来自雅典科沃拉棕榈粘液的微生物群落 | 清除抑制区 | 83 |
| 珊瑚提取物 | 生长抑制测定 | 84 | |
| 马里诺杆菌 | 加热检测 | 85 | |
| 伪阿尔特莫纳斯 sp. | 阿加板交叉条纹 | 86 | |
| 伪阿尔特莫纳斯 sp. | Agar 扩散方法 | 33 | |
| 有利于钙化过程;斯克莱金珊瑚的氮源。 | 共生体。 | 色度法 | 87 |
| 来自斯蒂洛波拉皮斯蒂利亚粘液的微生物群落 | ___ | 88 | |
| 来自雅典卫城阿尔西米纳塔的微生物群落 | 博兰等人的方法80 | 89 | |
| 氮循环;增加氮气固定。 | 微生物群落 | qPCR | 90 |
| 微生物群落 | Pcr | 91 | |
| 微生物群落 | qPCR | 92 | |
| 微生物群落 | 自适应乙烯 (C2H2) 还原技术 | 93 | |
| 伪阿尔托莫纳斯和哈洛蒙纳斯·塔阿南斯 | Pcr | 33 | |
| 氮循环;铵浓度降低。 | 伪阿尔特莫纳斯 sp. | Pcr | 33 |
| 来自图巴斯特拉亚的微生物群落 | Pcr | 94 | |
| 西斯图斯庞尼亚睾虫的微生物群落 | 预测元基因组分析 | 95 | |
| 对活性氧(ROS)的全息保护。 | 乌萨尔托莫纳斯,科贝提亚码头和哈洛蒙纳斯塔亚尼西斯 | 催化酶测试 | 33 |
| 共生体。 | 安普尔克斯红色 | 96 | |
| 维布里奥·佩拉吉乌斯和同步巧克力 | 马萝卜过氧化物酶-波波汀法 | 97 | |
| 维布里奥·菲舍尔 | 多种方法 | 98 |
表1:检测假定的BMC特性、作用机制(MOA),报告微生物,显示用于检测该特性的潜力和技术。
作者没有什么可透露的。
污染影响所有生物群系。海洋环境受到的影响特别大,特别是珊瑚礁,这是地球上最敏感的生态系统之一。生物修复是生物降解污染物的能力。在这里,我们描述了分离和测试微生物的方法,这些微生物具有珊瑚的生物修复能力和潜在的益生菌特性。
这项研究与注册为ANP 21005-4的正在进行的研发项目"PROBIO-DEEP - 石油和天然气勘探对深海海洋生物生物体的潜在影响的调查"和潜在生物指标的选择一起进行。bioremediation processes for these ecosystems" (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由壳牌巴西公司根据ANP研发税赞助的"经济生态研究",其"经济投资局"提交人还感谢国家最高人民会议(CNPq)和科尔德纳·德阿佩尔费奥阿门托·德内维尔高级委员会(卡米拉·梅西亚斯、菲利普·罗萨多和恩里克·弗拉戈索·多斯桑托斯) 的财政支助,提供的图像。
| 500 mL PYREX 培养基储存瓶 | thomas scientific/Corning | 1743E20/1395-500 | 用于对水进行采样。 |
| 500 mL 吸液瓶 | Thomas Scientific/Corning | 1234B28/1220-2X | 用于分离油馏分。 |
| 6 英寸剪线钳 | Thomas Scientific/Restek | 1173Y64/23033 | 用于切割珊瑚碎片。 |
| 17a-炔雌醇 | LGC 标准品 | DRE-C13245100 | 用作制备选择性培养基的唯一碳源。 |
| 琼脂 | Himedia | PCT0901-1KG | 用于制作固体培养基。 |
| Bushnell Haas 肉汤 | Himedia | M350-500G | 用作补充碳源的最小培养基。 |
| 锥形瓶 | thomas scientific/DWK Life Sciences (Kimble) | 4882H35/26500-125 | 用于用玻璃珠孵育珊瑚浸渍液。 |
| GFX PCR DNA 和凝胶条带纯化试剂盒 | GE Healthcare | 28903470 | 用于在送去测序之前纯化 PCR 产物。 |
| Glass Beads | MP Biomedicals | 1177Q81/07DP1070 | 用于将微生物从珊瑚结构中分离出来。 |
| 层流罩 | 需要在无菌条件下工作。 | ||
| Luria Bertani 肉汤,米勒 (Miller Luria Bertani Broth) | Himedia | M1245-1KG | 用作培养细菌的富介质。 |
| Marine Agar 2216 (Zobell Marine Agar) | Himedia | M384-500G | 用作培养细菌的富培养基。 |
| 轨道摇床培养箱 | 用于培养液体培养基和油。 | ||
| 板 培养箱 | 用于孵育板。 | ||
| 瓷研钵和研杵 | Thomas scientific/United Scientific Supplies | 1201U69/JMD150 | 用于浸渍珊瑚碎片。 |
| Qubit 2.0 荧光计 | Invitrogen | 用于 DNA 和 PCR 产物的核酸定量。 | |
| Refrigerated Centrifuge | 用于离心细菌培养物。 | ||
| 分光光度计 | 用于测量细菌培养物的光密度。 | ||
| Wizard 基因组 DNA 纯化试剂盒 | Promega | A1120 | 用于微生物菌株 DNA 提取。 |