Forurensning påvirker alle biomer. Marine miljøer har vært spesielt påvirket, spesielt korallrev, en av de mest følsomme økosystemer på jorden. Bioremediering er kapasiteten til organismer å svekke forurensninger. Her beskriver vi metoder for å isolere og teste mikrober som presenterer bioremediering evne og potensielle probiotiske egenskaper for koraller.
Forurensning påvirker alle biomer. Marine miljøer har vært spesielt påvirket, spesielt korallrev, en av de mest følsomme økosystemer på jorden. Globalt er 4 500 000 000 mennesker økonomisk avhengige av havet, hvor de fleste av deres levebrød er levert av korallrev. Koraller er av stor betydning, og derfor deres utryddelse fører til katastrofale konsekvenser. Det finnes flere mulige løsninger på rette opp marin forurensning og lokal forurensning, inkludert bioremediering. Bioremediering er kapasiteten til organismer å svekke forurensninger. Tilnærmingen presenterer flere fordeler, slik som bærekraft, relativt lav kostnad, og det faktum at det kan brukes i ulike økosystemer, forårsaker minimale virkninger på miljøet. Som en ekstra fordel, manipulering av endogene microbiomes, inkludert antatte gunstige mikroorganismer for koraller (Pbmc), kan ha probiotiske effekter for marine dyr. I denne sammenhengen kan bruken av de to tilnærmingene, bioremediering og pBMC-inoculation kombineres, være lovende. Denne strategien vil fremme nedbrytning av spesifikke forurensende stoffer som kan være skadelig for koraller og andre metaorganisms samtidig øke verten motstand og elastisitet å håndtere forurensning og andre trusler. Denne metoden fokuserer på valg av Pbmc å svekke to forurensninger: syntetisk østrogen 17A-etinyløstradiol (EE2) og råolje. Begge har blitt rapportert å negativt påvirke marine dyr, inkludert koraller, og mennesker. Protokollen beskriver hvordan å isolere og teste bakterier i stand til å svekke den spesifikke forurensninger, etterfulgt av en beskrivelse av hvordan å oppdage noen antatte gunstige egenskaper av disse tilknyttede mikrober til sine koraller vert. Metodene som er beskrevet her er relativt billig, enkel å utføre, og svært tilpasningsdyktig. Nesten alle slags løselig mål sammensatte kan brukes i stedet for EE2 og olje.
Forurensning er et stort problem som berører mennesker, dyr og plante helse over hele verden. Selv om forurensning kan være naturlig, for eksempel vulkansk aske1, menneskelige aktiviteter er den primære årsaken til de fleste forurensning. Menneskeskapte aktiviteter er forurensende jord, vann og luft, som direkte eller indirekte føre til nesten 20 000 000 for tidlig menneskelig dødsfall2 og decimate milliarder av andre former for liv årlig. Forurensning er til stede selv i de mest avsidesliggende områdene av planeten. For eksempel, tungmetaller og vedvarende organiske forbindelser har blitt påvist i dypvanns virvelløse dyr og Polar pattedyr, henholdsvis3,4.
Marine miljøer har blitt spesielt påvirket av forurensning. I lang tid, ble det antatt at havet ville forbli upåvirket og levere en endeløs kilde til varer på grunn av sin massive volumet av vann5. Av denne grunn, alle typer industri og institusjoner fritt utgitt avfall i vannforekomster i århundrer6,7. Flere forurensninger av alle typer, for eksempel plast8, syntetiske hormoner9, plantevernmidler10, olje11, næringsstoffer12, tungmetaller3, og radioaktivt avfall13 har blitt rapportert som påvirker hav økosystemer. I denne sammenhengen er korallrev blant de viktigste og mest følsomme økosystemene i marine miljøer14. Skjær er kyst beskyttere, avgjørende for utviklingen av tusenvis av marine arter ved å spille viktige roller i næringsstoffer sykling og klimakontroll. Skjær også bidra til økonomien ved å tilby fisk, varer og turisme, blant andre15. For eksempel er 4 500 000 000 mennesker avhengig av havet fisk som sin viktigste mat kilde16, som er sterkt støttet av korallrev.
Uavhengig av deres økologiske, sosiale og økonomiske betydning, korallrev blir desimert17,18. Menneskeskapte aktiviteter er primært ansvarlig for å bidra til de tre viktigste årsakene til koraller ‘ død: klimaendringer, overfiske, og vannforurensning19. Selv om det er viktig å arbeide med reduksjonen av global oppvarming, er det også viktig å arbeide med å minimere lokal forurensning, inkludert vannforurensning, som kan kritisk bidra til korall nedgang20. Dermed er det et presserende behov for utvikling av strategier for å øke koraller levetid, noe som kan gi dem ekstra tid til å tilpasse seg og overleve.
I denne forbindelse er det svært viktig å finne løsninger for å minimere forurensning og å utvikle strategier for å øke egnethet av koraller. Strategier for å rette opp marin forurensning er svært mangfoldig og kan grupperes i fysiske, kjemiske og biologiske tilnærminger. Fysiske tilnærminger er nyttig. Men de er ikke alltid effektive. For eksempel kan plastavfall minimeres ved fysisk fjerning, mens vannløselige forbindelser trenger andre metoder for å bli eliminert. Eksempler på slike forbindelser er råolje, utgitt av oljeindustrien aktiviteter og søl, samt andre mikropollutanter, som syntetiske hormoner, vanligvis brukt som estrogenic komponent i p-piller og tilstede i kloakk21, 22. Bruk av kjemiske stoffer for å redusere forurensning kan løse et bestemt problem, men det kan også representere en ekstra kilde til forurensning. Dette er tilfellet med kjemisk dispergeringsmidler for å dempe olje forurensning, som har blitt beskrevet som enda mer giftig for Marine økosystemer enn olje forurensning selv23. Av disse grunner, biologiske tilnærminger presentere flere fordeler i forhold til andre metoder. Bioremediering er kapasiteten til levende organismer, eller deres metabolske produkter, å transformere forurensninger i mindre giftige eller ikke-giftige former24. De viktigste fordelene med å bruke biologiske metoder er bærekraft, relativ lav pris, det faktum at de er miljøvennlige, og at de kan brukes i ulike økosystemer, forårsaker minimal eller færre virkninger på miljøet21, 25,26,27.
I tillegg gjør manipulering av mikrobiell samfunnet til stede i et miljø en ekstra potensiell fordel. Det er microbiomes som er forbundet med verter og er avgjørende for deres helse. Det er velkjent at disse tilknyttede symbiotisk microbiomes er nødvendig for å opprettholde verten homeostase19. Manipulering av disse tilknyttede mikroorganismer har vært godt utforsket for verter som planter og pattedyr28,29, men bruken av Coral probiotika er fortsatt romanen15. Koraller også vert, samhandle med, og avhenger av store og spesifikke populasjoner av mikroorganismer for å overleve19. Rollen til disse mikrobielle samfunnene i helse og dysbiosis av koraller er under aktiv studie, men det er fortsatt langt fra å være fullt ut forstått30. En av de mest populære hypoteser kalles Coral probiotiske hypotese. Det tyder på eksistensen av en dynamisk sammenheng mellom symbiotisk mikroorganismer og miljømessige forhold som bringer om valg av de mest fordelaktige korall metaorganisms31. Basert på denne informasjonen, viktige potensielle probiotiske mekanismer, samt strategier for isolasjon, manipulasjon, og levering av gunstige mikroorganismer for koraller (BMCs) for flere formål, ble foreslått32 og testet33. Disse potensielle gunstige egenskaper inkluderer motstand mot temperaturøkning, beskyttelse mot reaktive oksygen arter (ROS), nitrogen fiksering, motstand mot forurensninger, og biologisk kontroll mot patogener, blant andre32.
Denne studien fokuserer på valg av BMCs og fritt levende mikroorganismer presentere evnen til å svekke to forurensninger som vanligvis finnes i marine miljøer: syntetisk østrogen 17A-etinyløstradiol (EE2) og råolje. Forurensende stoffer som inneholder hormon aktive midler er ofte til stede i vannforekomster34,35,36,37,38,39,40, 41,42. Blant dem, syntetiske estrogenic endokrine-disruptor forbindelser (EDCs) etterligne handlingen av østrogen på målet celler, forårsaker flere virkninger på dyr, inkludert brystkreft, infertilitet, og Futanari9. EE2 utskilles av mennesker på grunn av bruk av p-piller. Det er ikke fjernet fra kloakk av tradisjonelle avløpsvann-renseanlegg og har negative effekter selv ved svært lave konsentrasjoner (f. eks ng/L eller μg/L)43,44,45. Lite er kjent om virkningene av østrogen på Coral fysiologi46,47. Men på andre marine virvelløse dyr, slik som svamper, krepsdyr og bløtdyr, ble østrogen rapportert å forårsake flere negative effekter hovedsakelig knyttet til reproduksjon, slik som utvikling og/eller stimulering av kjønnscellene, endring i enzymatisk og protein handlinger, problemer i embryonale prosesser, og andre48,49,50,51,52. De negative konsekvensene forårsaket av EE2 forurensning fremheve nødvendigheten av å utvikle bærekraftige tilnærminger for å fjerne denne forbindelsen fra miljøet uten at det påvirker marint liv.
Parallelt med olje for tiden sto for nesten 40% av verdens konsumert energikilder53, kronisk forurensning og oljesøl forekommer ofte i nærheten av rev områder11. Olje forurensning ble rapportert å forårsake negative effekter i flere arter av marine dyr, fugler, planter, og mennesker54,55,56,57. På koraller, det fører til bleking, reduserer motstanden av larver til termisk stress58, forstyrrer mikrobiell tilknyttede samfunn21, og forårsaker vev nekrose. I tillegg kjemisk dispergeringsmidler, en olje Utbedring teknikk som vanligvis brukes av oljeselskaper å rette opp søl, er enda mer giftig for koraller enn oljen selv23. Gunstige mikroorganismer isolert fra koraller, i kontrast, er kjent for å spille avgjørende roller på verts helse. Imidlertid må manipulering av disse potensielle probiotika være bedre utforsket for å undersøke mulige negative bivirkninger og metabolske kapasiteter som kan bli vist for å forbedre egnethet av metaorganism. I denne sammenheng, egenskaper som den antimikrobielle aktiviteten mot koraller patogener, produksjon av catalase for å bekjempe oksidativt stress, evnen til å svekke urea (som kan ha viktige roller i forkalkning prosessen), og tilstedeværelsen av gener som kan overdra potensielle fordelaktige egenskaper, blant annet, må være fokus for etterforskningen. Her viser vi hvordan bioremediering og probiotika kan brukes til samtidig å dempe virkningene av forurensning og forbedre koraller helse. Utviklingen av innovative tilnærminger som kan brukes som intervensjoner for å øke marine arter utholdenhet representerer et skritt mot en mer bærekraftig og sunnere planet.
Bioremediering tilnærminger har blitt massivt utforsket de siste 50 årene. For eksempel har over 200 mikrober blant bakterier, cyanobakterier, mikroalger og sopp i flere forskjellige habitater, blitt utpekt som stand til å indikere tilstedeværelse og/eller forringe olje hydrokarboner62,63,64 . I tillegg er andre klasser av forbindelser som forårsaker virkninger på miljøet og mennesker, for eksempel plast, bisfenol A, endokrine disruptors, og tungmetaller, er mål for bioremediering teknikk utvikling65,66, i 67. På den annen side har Marin probiotiske utvikling vært begrenset til de feltene som har en åpenbar innvirkning på økonomien, slik som fiske probiotika i akvakultur68,69. Men isolasjon og karakterisering av gunstige mikroorganismer for å beskytte korallrev, marine økosystemer som støtter fiskeri, turisme og andre lønnsomme aktiviteter, begynner å bli verdsatt15. Her, en billig, enkel og tilgjengelig protokoll for å velge forurensende-nedverdigende mikroorganismer som også kan presentere potensielt fordelaktige egenskaper til lokale Marine økosystemer, spesielt antatte gunstige mikroorganismer til koraller (Pbmc), er Beskrevet.
I tillegg er metoden demonstrert her er svært tilpasningsdyktig til flere forbindelser og ulike typer mikrobielle kilder. Det er mulig å målrette ulike forurensende stoffer ved å erstatte den eneste karbon kilde lagt til minimum Media. For dette, i stedet for olje eller EE2, bør andre forbindelser legges på ønsket konsentrasjon. Dette vil være selektiv press for å isolere degraders for målrettede forurensende stoffer. For eksempel, mikroorganismer i stand til nedverdigende andre klasser av endokrine disruptors har allerede blitt valgt og testet ved hjelp av samme metodikk70. Videre andre marine-og terrestriske organismer, slik som svamper og planter71,72, samt distinkte typer miljø prøver, slik som jord, drivstoff, og bergarter kan brukes som nedverdigende-mikrobielle kilder25, 73,74. For eksempel var det mulig å oppdage og isolere hydrokarboner nedverdigende bakterier fra ulike jord og sediment prøver25,54,63,64,75. Til slutt, utføre små modifikasjoner i Media, mikroorganismer enn bakterier kan lett velges som nedverdigende-mikrober. For eksempel, en mikroalger stamme med evnen til å effektivt svekke østrogen forbindelser har blitt rapportert76.
Ideelt sett må bioremediering-probiotiske konsortier monteres for hver spesifikke sammensatte eller areal. Mikrober som vokser i et bestemt miljø kan ikke vokse så vel i nye områder i forhold til sine opprinnelige forhold. Fordi forskerne ikke har funnet et produkt som kan effektivt brukes under alle ulike miljøforhold, bør ny konsortier montering utføres for hver enkelt situasjon. Dette ville være beslektet med personlig medisin for miljø-skreddersydd utvinning. Av denne grunn er opprettelsen av en sentralbank av mikrobielle stammer med potensielle probiotiske egenskaper og fornedrelse kapasitet et avgjørende skritt for fremdriften av dette feltet. Dette initiativet vil spare tid og arbeid, bidra til montering av nye spesifikke konsortier over hele verden.
Mikroorganismer assosiert med koraller (dvs. mikroalger, bakterier, Archaea, sopp og virus) har en kompleks og intrikat rolle i å opprettholde verten homeostase19. Miljømessige stressfaktorer, slik som forurensning, kan også destabilisere korall mikrobiomet, noe som resulterer i dysbiosis, som kan forårsake sykdom og dødelighet30. Mekanismene som koraller mikrobiomet kan støtte koraller helse begynner å bli avslørt. Disse mekanismene er nøkkelen til å forstå koraller motstand og elastisitet til miljømessige stressfaktorer, og følgelig å fremme rev utholdenhet og bevaring. I tillegg vil funnene i feltet bidra til å forstå generelle mikrobiomet interaksjoner, som kan bidra til utvikling av bedre probiotika og helsefremmende strategier i andre områder. Det er også viktig å bedre undersøke hvordan disse probiotika vaksiner kan forstyrre metaorganism helse under stress hendelser. For eksempel, arbeid som viser at styrking i koraller ytelse skyldes probiotika og ikke bare koraller med bakterier som mat kilde er fortsatt nødvendig.
Parallelt, utvikling av nye konsortier levering tilnærminger og forbedring av de eksisterende er av stor betydning. Alternative metoder for konsortium immobilisering så vel som innovative tilnærminger, for eksempel vaksinere korall mat (dvs. Artemia og rotatorier) og bruke dem som vektorer, er lovende. Disse leveringssystemene kan også modifiseres for å målrette mot andre marine organismer og vil være avgjørende for suksessen til det marine probiotika.
Forurensning utslippsreduksjoner og korallrev utholdenhet er for tiden to av de viktigste temaene fremhevet i miljømessige konferanser regelmessig. Agenda 2030, et dokument publisert av FN som beskriver det globale mål samfunnet bør nå for å muliggjøre en bærekraftig fremtid, tilegne seg konkrete mål for hvert problem. Mens mål 6 fremhever viktigheten av forbedring av vannkvaliteten ved å redusere forurensningen, forsterker Goal 14 relevansen av bevaring og bærekraftig bruk av hav, hav og marine ressurser77. I denne sammenheng avhenger Coral Reef bevaring på endringer som bør oppnås i nær fremtid, inkludert forurensning utslippsreduksjoner. Dette er av stor betydning, fordi de fleste massive korall tap skjedde da andre faktorer ble lagt til klima hendelser, for eksempel lokale habitat ødeleggelse og forurensning78,79. Dette papiret viste at det er mulig å kombinere bioremediering og pBMC inoculation å svekke spesifikke forurensende stoffer, mens det kan øke koraller motstand og elastisitet å håndtere forurensning og andre problemer. Optimaliseringen av eksisterende protokoller og/eller utvikling av innovative metoder, kombinert eller uavhengig anvendt, vil være avgjørende for å bestemme fremtiden for Marine økosystemer.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble utført i samarbeid med det pågående R & D-prosjektet registrert som ANP 21005-4, «PROBIO-DEEP-Survey av potensielle virkninger forårsaket av olje-og gass leting på hav Marin holobionts og valg av potensiell bioindicators og bioremediering prosesser for disse økosystemene “(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 “, sponset av Shell Brasil under ANP R & D Levy som” Compromisso de investimentos com Pesquisa e Desenvolvimento. Forfatterne takker også Conselho Nacional de Desenvolvimento Uvv e Tecnológico (CNPq) og Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (KAPPER) for økonomisk støtte, og til Camila Messias, Phillipe Rosado, og Henrique Fragoso dos Santos, for bildene som er oppgitt.
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. |