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。
在过去50年中,生物修复方法得到了大量探索。例如,在几个不同生境的细菌、蓝藻、微藻和真菌中,有200多个微生物被指定为能够指示油碳氢化合物的存在和/或降解油碳氢化合物62、63、64.此外,对环境和人类造成影响的其他化合物,如塑料、双酚A、内分泌干扰物和重金属,是生物修复技术发展的目标65,66。 67.另一方面,海洋益生菌的发展仅限于对经济有明显影响的领域,如水产养殖中的鱼类益生菌68、69。然而,为保护珊瑚礁、支持渔业、旅游业和其他有利可图的活动的海洋生态系统而对有益微生物的隔离和定性,开始受到重视。在这里,一个廉价、简单和容易获取的协议,用于选择降解污染物的微生物,这些微生物也可以为当地海洋生态系统,特别是假定有益于珊瑚的微生物(pBMCs)提供潜在的有益特性。描述。
此外,这里展示的方法对多种化合物和不同类型的微生物来源具有很强的适应性。通过替换添加到最小介质中的唯一碳源,可以针对不同的污染物。为此,应以所需的浓度添加其他化合物,而不是油或EE2。这将是为目标污染物分离降解剂的选择性压力。例如,能够降解其他类内分泌干扰物的微生物已经使用同样的方法选择和测试70。此外,其他海洋和陆地生物,如海绵和植物71,72,以及不同类型的环境样本,如土壤,燃料和岩石,可以作为降解微生物来源25, 73,74.例如,可以从不同的土壤和沉积物样本25、54、63、64、75中检测和分离碳氢化合物降解细菌。最后,在介质中稍作修改,细菌以外的微生物可以很容易地选择为降解微生物。例如,有76种能够有效降解雌激素化合物的微藻菌株被报道为76。
理想情况下,生物修复-益生菌联合体必须为每个特定的化合物或区域组装。与原生条件相比,在特定环境中生长的微生物在新地点的生长情况可能并不相同。由于研究人员尚未发现可在所有不同环境条件下有效应用的产品,因此应针对每种具体情况进行新的联营公司组装。这将类似于个性化药物,用于环境定制恢复。因此,建立具有潜在益生菌特性和降解能力的微生物菌株中央银行是这一领域取得进展的关键步骤。这一举措将节省时间和工作,促进世界各地新特定财团的组装。
与珊瑚相关的微生物(即微藻、细菌、古生物、真菌和病毒)在维持宿主平衡方面具有复杂而复杂的作用。环境压力因素,如污染,也会破坏珊瑚微生物群的稳定,导致生物菌发育不良,从而可能导致疾病和死亡。珊瑚微生物群支持珊瑚健康的机制开始显现。这些机制是了解珊瑚耐受性和对环境压力的复原力,从而促进珊瑚礁持久性和保存性的关键。此外,该领域的发现将有助于了解一般宿主-微生物群落相互作用,这可能有助于在其他领域制定更好的益生菌和增进健康的战略。更好地研究这些益生菌接种在压力事件期间如何干扰代谢组织的健康也很重要。例如,表明珊瑚性能增强的工作是由于益生菌,而不是仅仅使用细菌作为食物来源的珊瑚。
同时,发展新的联营集团交付办法和改进现有办法也非常重要。联合体固定的替代方法以及创新方法,如接种珊瑚食物(即艺术血症和轮状体)和用作载体,是大有希望的。这些运载系统也可以加以改造,以针对其他海洋生物,对海洋益生菌领域的成功至关重要。
减少污染和珊瑚礁持续存在是定期举行的环境会议强调的两个主要议题。联合国发表的《2030年议程》是一份文件,其中描述了社会为创造可持续未来而应实现的全球目标,并为每个问题专门提出具体目标。虽然目标6强调了通过减少污染改善水质的重要性,但目标14强调了养护和可持续利用海洋和海洋资源的相关性77。在这方面,珊瑚礁保护取决于在不久的将来应实现的变化,包括减轻污染。这是非常重要的,因为大多数大规模的珊瑚损失发生时,其他因素被添加到气候事件,如当地生境破坏和污染78,79。本文表明,生物修复和pBMC接种相结合,降解特定污染物是可能的,同时可以增加珊瑚对污染物和其他问题的抵抗力和复原力。优化现有议定书和(或)开发组合或独立应用的创新方法,对于确定海洋生态系统的未来至关重要。
The authors have nothing to disclose.
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 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. |