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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
汚染はすべてのバイオームに影響を与える。海洋環境は特に影響を受けており、特に地球上で最も敏感な生態系の一つであるサンゴ礁が影響を受けています。バイオレメディエーションは、汚染物質を分解する生物の能力です。ここでは、サンゴのバイオレメディエーション能力と潜在的なプロバイオティクス特性を提示する微生物を分離および試験する方法論について説明する。
汚染はすべてのバイオームに影響を与える。海洋環境は特に影響を受けており、特に地球上で最も敏感な生態系の一つであるサンゴ礁が影響を受けています。世界的に見て、45億人の人々が経済的に海に依存しており、その生活のほとんどはサンゴ礁によって提供されています。サンゴは非常に重要であり、したがって、その絶滅は壊滅的な結果につながります。海洋汚染物質や局所汚染を修復するための解決策は、バイオレメディエーションを含むいくつかの可能な解決策があります。バイオレメディエーションは、汚染物質を分解する生物の能力です。このアプローチには、持続可能性、比較的低コスト、異なるエコシステムで適用できるという事実など、いくつかの利点があり、環境への影響は最小限に抑えられます。余分な利点として、サンゴ(pBMC)に対する推定有益微生物を含む内因性微生物の操作は、海洋動物に対するプロバイオティクス効果を有し得る。この文脈において、バイオレメディエーションとpBMC接種を組み合わせた2つのアプローチの使用は有望であり得る。この戦略は、サンゴやその他のメタ生物に有害な特定の汚染物質の劣化を促進すると同時に、汚染やその他の脅威に対処するためのホスト耐性と耐性を高めます。この方法は、2つの汚染物質を分解するpBMCの選択に焦点を当てています:合成エストロゲン17a-エチニルエストラジオール(EE2)と原油。いずれもサンゴや人間を含む海洋動物に悪影響を及ぼすと報告されている。このプロトコルは、特定の汚染物質を分解し得る細菌を単離および試験する方法を記述し、続いてこれらの関連微生物の何らかの形容的有益な特性をサンゴ宿主に検出する方法を説明する。ここで説明する方法論は、比較的安価で、実行しやすく、適応性が高い方法です。EE2およびオイルの代わりに、ほぼすべての種類の可溶性標的化合物を使用することができます。
汚染は、世界中の人間、動物、植物の健康に影響を与える大きな問題です。火山灰1のような汚染は自然であるが、人間の活動はほとんどの汚染の主な原因である。人類起源の活動は土壌、水、空気を汚染し、直接的または間接的に約2,000万人の早期死亡2を引き起こし、年間数十億の他の生命を減少させます。汚染物質は、地球の最も遠隔地にも存在します。例えば、重金属および持続性有機化合物は、それぞれ深海無脊椎動物および極性哺乳動物において、3、4で検出されている。
海洋環境は特に汚染の影響を受けています。長い間、海は影響を受けずに、水5の膨大な量のために無限の商品源を供給すると仮定されていました。このため、あらゆる種類の産業や機関が、何世紀にもわたって水域内の廃棄物を自由に放出した6、7.プラスチック8、合成ホルモン9、農薬10、油11、栄養素12、重金属3、放射性廃棄物13など、あらゆる種類の汚染物質が影響を与えるとして報告されている海洋生態系。この文脈では、サンゴ礁は海洋環境の中で最も重要で敏感な生態系の一つです14.リーフは沿岸の保護者であり、栄養素のサイクリングや気候管理に不可欠な役割を果たすことによって、何千もの海洋種の開発に不可欠です。リーフはまた、魚、物品、観光を提供することにより、経済に貢献し、とりわけ15.例えば、45億人がサンゴ礁に大きく支えられている主な食料源16として海洋魚に依存しています。
彼らの生態学的、社会的、経済的重要性にかかわらず、サンゴ礁は17、18に減少しています。人類起源の活動は、主にサンゴの死の3つの主な原因に貢献する責任があります: 気候変動, 乱獲, 水質汚染19.地球温暖化の緩和に取り組むことは重要ですが、サンゴの減少に大きく寄与する水質汚染を含む地域汚染の最小化にも取り組むことも重要です。したがって、サンゴの寿命を延ばすための戦略の開発が急務であり、サンゴが適応し、生き残るための余分な時間を与える可能性があります。
この点で、汚染を最小限に抑え、サンゴの適性を高める戦略を策定するソリューションを見つけることが極めて重要です。海洋汚染物質を修復する戦略は非常に多様であり、物理的、化学的、生物学的アプローチにグループ化することができます。物理的なアプローチが役立ちます。ただし、必ずしも効率的であるとは限りません。例えば、プラスチック廃棄物は物理的な除去によって最小限に抑えることができるが、水溶性化合物は除去するために他の方法論を必要とする。このような化合物の例は、原油、石油産業活動および流出によって放出される、ならびに合成ホルモンなどの他の微小汚染物質、通常経口避妊薬および下水21に存在するエストロゲン成分として使用される、22.化学物質を使用して汚染を減らすことは、特定の問題を解決することができますが、それはまた、汚染の余分な源を表す可能性があります。これは、油汚染自体23よりもさらに海洋生態系に対して毒性があると記載されている油汚染を緩和するための化学分散剤の場合である。これらの理由から、生物学的アプローチは、他の方法と比較した場合にいくつかの利点を提示する。バイオレメディエーションは、汚染物質を毒性または非毒性の少ない形態24に変換する生物またはその代謝産物の能力である。生物学的方法を使用する主な利点は、持続可能性、相対的な低コスト、生態学的に優しいという事実、およびそれらが異なる生態系に適用され、環境への影響を最小限または少なく引き起こすことである21、 25、26、27 .
さらに、環境中に存在する微生物群集の操作は、余分な潜在的な利点を可能にする。ホストに関連し、その健康に不可欠なマイクロバイオームがあります。これらの関連する共生微生物叢が宿主恒常性19を維持するために必要であることはよく知られている。これらの関連微生物の操作は、植物や哺乳類28、29などの宿主のためによく探求されてきたが、サンゴのプロバイオティクスの使用はまだ新しい15である。サンゴはまた、19を生き残るために微生物の大規模かつ特定の集団を宿主、相互作用し、依存する。サンゴの健康とジスバイオシスにおけるこれらの微生物群集の役割は活発な研究の下にあるが、それはまだ完全に理解されている30から遠い。最も人気のある仮説の一つは、サンゴプロバイオティクス仮説と呼ばれています。これは、最も有利なサンゴメタ生物31の選択をもたらす共生微生物と環境条件との間の動的な関係の存在を示唆する。この情報に基づいて、主要な潜在的なプロバイオティクス機構、ならびにいくつかの目的のためのサンゴ(BMC)のための有益な微生物の分離、操作、および送達のための戦略は、32を提案し、33を試験した。これらの潜在的な有益な特性は、温度上昇に対する耐性、活性酸素種(ROS)からの保護、窒素固定、汚染物質に対する耐性、および病原体に対する生物学的制御、とりわけ32である。
本研究では、海洋環境で一般的に見られる2つの汚染物質(合成エストロゲン17a-エチニルエストラジオール(EE2)と原油の分解能力を示すBMCおよび自由生微生物の選択に焦点を当てています。ホルモン活性剤を含む汚染物質は、多くの場合、水域に存在する 34,35,36,37,38,39,40, 41、42.中でも、合成エストロゲン内分泌攪乱化合物(EDC)は、標的細胞に対するエストロゲンの作用を模倣し、乳癌、不妊症、およびヘルマフロディティズム9を含む動物にいくつかの影響を引き起こす。EE2は経口避妊薬の使用のために人間によって排泄される。それは伝統的な排水処理プラントによって下水から除去されず、非常に低い濃度(例えば、ng/Lまたはμg/L)43、44、45でも悪影響を及ぼす。サンゴ生理学に対するエストロゲンの影響についてはほとんど知られていない46,47.しかし、スポンジ、甲殻類、軟体動物などの他の海洋無脊椎動物では、エストロゲンは、主にゲームプレイの発達や刺激、酵素の変化、およびタンパク質作用、胚プロセスにおける問題、および他の48、49、50、51、52。EE2汚染によって引き起こされる負の結果は、海洋生物に影響を与えることなく、環境からこの化合物を除去するための持続可能なアプローチを開発する必要性を強調しています。
並行して、現在、世界の消費エネルギー源53のほぼ40%を占める石油では、慢性汚染と石油流出がリーフエリア11付近で起こることが多い。油汚染は、海洋動物、鳥類、植物、およびヒト54、55、56、57のいくつかの種で悪影響を引き起こすことが報告された。サンゴでは、漂白を引き起こし、熱応力58に対する幼虫の耐性を低下させ、微生物関連群集21を破壊し、組織壊死を引き起こす。加えて、化学分散剤は、石油会社が流出を修復するために一般的に使用される石油修復技術であり、油自体23よりもサンゴに対してさらに有毒である。対照的に、サンゴから分離された有益な微生物は、宿主の健康に重要な役割を果たしているとして知られている。しかし、これらの潜在的なプロバイオティクスの操作は、可能な負の副作用とメタ生物の適合性を改善するためにスクリーニングすることができる代謝能力を調べるために、より良い探索されなければなりません。この文脈において、サンゴ病原体に対する抗菌活性、酸化ストレスと戦うカタアラスの産生、尿素を分解する能力(石灰化過程で重要な役割を有する可能性がある)、遺伝子の存在などの特性潜在的な有益な特性を与えることは、とりわけ、調査の焦点でなければならない。ここでは、バイオレメディエーションとプロバイオティクスを使用して、汚染の影響を一伴って軽減し、サンゴの健康を高める方法を示します。海洋種の持続性を高めるための介入として利用できる革新的なアプローチの開発は、より持続可能で健康的な惑星への一歩を表しています。
1. 微生物分離のための水とサンゴの収集と貯蔵
メモ:サンプリングサイトの座標と温度を取ることは不可欠です。可能であれば、湿度、pH、深さ、光強度などのメタデータは、微調整された栽培アプローチや将来のデータ解釈を見つけるのに役立ちます。信頼性の高い結果を得るには、サンプルを可能な限り長く保存しておきます。サンプルが適切な温度で保存されていない場合や、長期間保存されている場合、水/サンゴのマイクロバイオームはかなり変化する可能性があります。採取後すぐに隔離工程が行われない場合は、処理までサンプルを4°Cに維持することが重要です。サンプルが保存される時間が長ければ長いほど、4°Cであっても、微生物群集はより変化します。
2. 海水やサンゴからのEE2分解細菌の分離
3. 海水やサンゴからの油分解細菌の分離
4. コンソーシアム会員の選考
5. サンゴに対する有益な特性の検出
ここで説明する方法に基づいて、異なる水源およびサンゴナビンから微生物を分離することができ、評判のBMC特性を提示し、異なるクラスの汚染物質を分解することができた(図1)。CESA-UFRJ(リオデジャネイロ連邦大学環境衛生実験センター)から得られた下水処理場で採取した水サンプルを用いて、ここで提示した手順に基づいて、33の細菌株がEE2を分解することができる5mg/Lの最終濃度を単離した(図2A)。さらに、油分解菌を選択する技術を用いて、oWSF(図2B)及びoWIF(図2C)の両方を分解できる20株を単離した。
様々な条件下で異なるサンゴ種から単離された微生物において、ベーティブBMC特性をスクリーニングした。中でも、サンゴ病原体ビブリオコラリ分解性に対して強い拮抗作用を示す株(図3A)、尿素を分解できる株(図3B)、良好なカタラーゼ生産者(図3) C)、および潜在的に有益な遺伝子を提示する微生物(図3D)が見つかった。
組み合わせた2つのアプローチ(すなわち、バイオレメディエーションおよびBMC接種)を採用して、油暴露の影響からサンゴを保護することが可能であった。このために、サンゴムシミリア・ハートティから単離された油バイオレーマpBMCコンソーシアムを、トリプリケート21で1%の油にさらされたサンゴナビンに接種した。石油にさらされた治療は、4日目以降のFv/Fmの進行性の減少を示し、10日目までにゼロに近い値に達した。可変蛍光/最大蛍光(Fv/Fm)は、サンゴの健康の間接的な測定を表す、ズオキサンテラ科の最大光システムII(PSII)光化学効率の尺度を提供した。一方、コンソーシアムと接種した水族館に存在するサンゴナビンは、より保存性の高い光化学的能力を示した(図4)。

図1:バイオレーマエーターpBMCコンソーシアムの選択と組み立ての主なステップの概要コンソーシアム微生物選択に用いられる汚染物質分解微生物の選択工程(グレー)および最終工程(DNAシーケンシング、成長曲線、拮抗試験、および赤のコンソーシアム組み立て)のスキーム。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:汚染物質分解菌の選択(A)唯一の炭素源としてEE2を含む最小媒体板上で増殖する細菌分離物。(B)oWSFを唯一の炭素源として含有する最小媒体板上で増殖する細菌コロニー。(C)唯一の炭素源としてoWIFを含む最小媒体プレート上で増殖する細菌コロニー。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:pBMC特性の検出(A)サンゴ病原体ビブリオコラリティクス(黒)および対照株(緑色)に対して拮抗活性を示す株の三重の斑点。(B)唯一の炭素源として尿素を含有する媒体上で増殖する株。(C)株産生カタラゲ(+)および悪いカタアゲ生産者株(-)。(D)nirK遺伝子のPCR検出例(レーン1=1kbラダー;レーン2=ブランクDNA抽出陰性制御;レーン3=nirK検出;レーン4=テンプレートDNAを含まないPCR反応)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:M.ハートティ・ナビンのFv/Fm測定値は、ダイビングPAMクロロフィルフルオロメータを用いて、午後5時に暗く適応した。治療制御コンソーシアム、オイル、オイルとコンソーシアムのFv/Fm測定を、毎日10日間3回行った。標準偏差が表示されます。グラフの特徴は、クリエイティブ・コモンズ表示4.0の下でhttps://www.nature.com/articles/srep18268で利用可能な、以前の結果21からの許可を得て変更されました。http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/で完全な用語。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| Moa | 微生物 | 検出技術 | 参照 |
| 気候規制;サーフィールサイクリング;抗菌化合物;細胞の抗酸化保護を高める. | アスペルギルス・シドウイ | dddP遺伝子用PCR | 81 |
| シュードビブリオ sp. P12 | DMSPを用いた培養培地 | 82 | |
| シュードアルタノミナス sp. | dmdA遺伝子用PCR | 33 | |
| 病原体の生物学的調節。 | アクロボラ・パルパータ粘液からの微生物 | 阻害の明確なゾーン | 83 |
| サンゴからの抽出物 | 成長抑制アッセイ | 84 | |
| マリノバクター sp. | 群れのアッセイ | 85 | |
| シュードアルタノミナス sp. | 寒天プレートクロスストリーキング | 86 | |
| シュードアルタノミナス sp. | 寒天拡散法 | 33 | |
| 石灰化プロセスの利点;スクレラクチニアンサンゴのための窒素の源。 | シンビオディニウム spp. | 比色法 | 87 |
| スチロフォラ・ピスティラタ・ムカからのマイクロバイオーム | ___ | 88 | |
| アクロボラ・アルシミナタのマイクロバイオーム | ボランドら80の方法 | 89 | |
| 窒素サイクル;窒素固定を増加させます。 | 微生物群集 | qPCR | 90 |
| 微生物群集 | Pcr | 91 | |
| 微生物群集 | qPCR | 92 | |
| 微生物群集 | 適応アセチレン(C2H2)還元技術 | 93 | |
| シュードアルタノミナスsp.とハロモナス・タエネンシス | Pcr | 33 | |
| 窒素サイクル;アンモニウム濃度の低下。 | シュードアルタノミナス sp. | Pcr | 33 |
| ツバストラエ・コクシネアからのマイクロバイオーム | Pcr | 94 | |
| キセストスポンジア・テストゥジナリアからのマイクロバイオーム | 予測メタゲノム解析 | 95 | |
| 活性酸素種(ROS)に対するホロビオン保護。 | シューダロモナスsp.、コベチアマリーナとハロモナス・タエネンシス | カタアゲ糖試験 | 33 |
| シンビオディニウム spp. | アンプルクス・レッド | 96 | |
| ビブリオペラギウスとシンクチョコッカクスsp. | ホースラディッシュペルオキシダーゼコポレチン法 | 97 | |
| ヴィブリオ・フィシェリ | 複数のメソッド | 98 |
表1:評判BMC特性の検出、作用機序(MOA)、特性を検出するために用いられる電位および技術を提示する微生物を報告した。
著者たちは何も開示する必要はない。
汚染はすべてのバイオームに影響を与える。海洋環境は特に影響を受けており、特に地球上で最も敏感な生態系の一つであるサンゴ礁が影響を受けています。バイオレメディエーションは、汚染物質を分解する生物の能力です。ここでは、サンゴのバイオレメディエーション能力と潜在的なプロバイオティクス特性を提示する微生物を分離および試験する方法論について説明する。
本研究は、ANP 21005-4「PROBIO-DEEP - 深海海洋ホロビオンに対する石油・ガス探査による潜在的な影響の調査」および潜在的なバイオ指標の選択に関連して行われました。これらの生態系のバイオレメディエーションプロセス」(UFRJ/ シェル・ブラジル/ANP) - "PROBIO-DEEP - レバンタメント・デ・ポテンシアス・インパクオス・カウサドス・ペラ・エクスプロラソン・デ・オレオ・エ・ガエス・エム・ホロビオンテス・マリンホス・エム・マル・プロフンド・エ・セレソン・デ・ポテンシアス・ビオ・イミノ「コムプロミッソ・デ・インベスティメントス・コム・ペスキサ・エ・デセンボルヴィメント」としてANP R&Dレビーの下でシェル・ブラジルがスポンサーを務めるビオレメディドール・パラ・エス・エコシステマ。著者はまた、コンセルホ・ナシオナル・デ・デセンヴォルヴィメント・シエンティフィコ・エ・テクノロフィコ(CNPq)とコオルデナソン・デ・アペルフェイソアメント・デ・ペソアル・デ・ニヴェル・スーペスペリオール(CAPES)、カミラ・メシアス、フィリペ・ロサド、ヘンリケ・フラゴソ・ドスに感謝します。提供された画像の場合。
| 500 mL PYREX Media Storage Bottle | thomas scientific/Corning | 1743E20/1395-500 | 水のサンプル採取に使用。 |
| 500 mLアスピレーターボトル | トーマスサイエンティフィック/コーニング | 1234B28/1220-2X | オイルフラクションを分離するために使用されます。 |
| 6インチワイヤーカッタープライヤー | トーマスサイエンティフィック/ Restek | 1173Y64 / 23033 | サンゴの破片をカットするために使用されます。 |
| 17a-エチニルエストラジオール | LGC規格 | DRE-C13245100 | 選択的な媒体を作るための唯一の炭素源として使用されます。 |
| 寒天 | 培地PCT0901-1KG | 固形培地を作るために使用します。 | |
| ブッシュネルハースブロス | Himedia | M350-500G | 炭素源を補うための最小媒体として使用されます。 |
| 三角フラスコ | トーマス サイエンティフィック/DWK Life Sciences (Kimble) | 4882H35/26500-125 | ガラスビーズでサンゴのマセレートをインキュベートするために使用されます。 |
| GFX PCR DNAおよびゲルバンド精製キット | GEヘルスケア | 28903470 | PCR産物をシーケンシングに送る前に精製するために使用されます。 |
| ガラスビーズ | MP Biomedicals | 1177Q81/07DP1070 | サンゴの構造から微生物を分離するために使用されます。 |
| 層流フード | 無菌状態での作業に必要です。 | ||
| Luria Bertani Broth, Miller (ミラー ルリア ベルタニ ブロス) Himedia | M1245-1KG | バクテリアを増殖させるリッチメディアとして使用されています。 | |
| Marine Agar 2216(ゾベルマリン寒天) | Himedia | M384-500G | バクテリアを育てるためのリッチメディアとして使用されます。 |
| オービタルシェーカーインキュベーター | 液体媒体と油のインキュベーションに使用されます。 | ||
| プレートインキュベーター | プレートのインキュベートに使用されます。 | ||
| 磁器の乳鉢と乳棒 | トーマス科学/ユナイテッドサイエンティフィックサプライ | 1201U69/JMD150 | サンゴの破片を浸軟するために使用されます。 |
| Qubit 2.0 Fluorometer | Invitrogen | DNAおよびPCR産物の核酸定量に使用されます。 | |
| 冷蔵遠心分離機 | 細菌培養物の遠心分離に使用されます。 | ||
| 分光光度計 | 細菌培養物の光学密度を測定するために使用されます。 | ||
| ウィザードゲノムDNA精製キット | プロメガ | A1120 | 微生物株のDNA抽出に使用されます。 |