오염은 모든 생물군석에 영향을 미칩니다. 해양 환경은 특히 지구상에서 가장 민감한 생태계 중 하나인 산호초에 영향을 미쳤습니다. 생물 정화는 오염 물질을 분해하는 유기체의 용량입니다. 여기에서, 우리는 산호에 대한 생물 정화 능력과 잠재적 인 프로바이오틱 특성을 제시하는 미생물을 분리하고 테스트하는 방법론을 설명합니다.
오염은 모든 생물군석에 영향을 미칩니다. 해양 환경은 특히 지구상에서 가장 민감한 생태계 중 하나인 산호초에 영향을 미쳤습니다. 전 세계적으로 45억 명의 사람들이 산호초에 의해 생계를 제공하는 바다에 경제적으로 의존하고 있습니다. 산호는 매우 중요하고 따라서 그들의 멸종은 치명적인 결과로 이어집니다. 생물 정화를 포함하여 해양 오염 물질 및 지역 오염을 치료하기 위한 몇 가지 가능한 솔루션이 있습니다. 생물 정화는 오염 물질을 분해하는 유기체의 용량입니다. 이 접근 방식은 지속 가능성, 상대적으로 저렴한 비용 및 다른 생태계에 적용할 수 있다는 사실과 같은 몇 가지 장점을 제시하여 환경에 미치는 영향을 최소화합니다. 추가 장점으로, 내 인 성 미생물의 조작, 산호에 대 한 putative 유익한 미생물을 포함 하 여 (pBMCs), 해양 동물에 대 한 probiotic 효과 가질 수 있습니다. 이러한 맥락에서, 두 가지 접근법, 생체 개선 및 pBMC 접종결합의 사용은 유망할 수 있다. 이 전략은 산호및 기타 메타유기에 해로울 수 있는 특정 오염물질의 분해를 촉진하는 동시에 오염 및 기타 위협에 대처하기 위한 호스트 저항과 탄력성을 증가시킬 것입니다. 이 방법은 합성 에스트로겐 17a-에티닐에스트라디올(EE2) 및 원유의 두 가지 오염물질을 분해하기 위한 pBmc 선택에 중점을 둡니다. 둘 다 부정적인 해양 동물에 영향을 보고 되었습니다., 산호를 포함 하 여, 그리고 인간. 이 프로토콜은 특정 오염 물질을 분해 할 수있는 박테리아를 분리하고 테스트하는 방법을 설명하고 산호 숙주에게 이러한 관련 미생물의 일부 putative 유익한 특성을 감지하는 방법에 대한 설명이 뒤따릅니다. 여기에 설명된 방법론은 비교적 저렴하고 수행하기 쉬우며 적응력이 높습니다. 거의 모든 종류의 수용성 표적 화합물을 EE2 및 오일 대신 사용할 수 있습니다.
오염은 전 세계적으로 인간, 동물 및 식물 건강에 영향을 미치는 주요 문제입니다. 화산 재1과같이 오염이 자연스러울 수 있지만 인간의 활동은 대부분의 오염의 주요 원인입니다. 인위적 인 활동은 토양, 물 및 공기를 오염시키고 있으며, 이는 직간접적으로 거의 2천만 명의 조기 인간사망2및 매년 수십억 개의 다른 생명체를 죽입니다. 오염 물질은 지구상에서 가장 외딴 지역에도 존재합니다. 예를 들어, 중금속 및 지속성 유기 화합물은 심해 무척추 동물과 극성 포유류에서 각각3,4에서검출되었다.
해양 환경은 특히 오염의 영향을 받았습니다. 오랜 시간 동안, 그것은 바다가 영향을받지 않고 물5의거대한 볼륨으로 인해 상품의 끝없는 소스를 공급 할 것이라고 가정했다. 이러한 이유로, 산업 및 기관의 모든 유형은 수세기 동안 수역에서 폐기물을 자유롭게 방출6,7. 플라스틱8,합성 호르몬9,살충제10,오일11,영양분12,중금속3,방사성 폐기물13 등 모든 유형의 여러 오염 물질이 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다. 해양 생태계. 이러한 맥락에서, 산호초는 해양 환경에서 가장 중요하고 민감한 생태계 중 하나입니다14. 산호초는 영양분 순환 과 기후 조절에 필수적인 역할을함으로써 해양 종의 수천의 개발에 중요한 해안 보호자입니다. 산호초는 또한 물고기, 상품 및 관광을 제공함으로써 경제에 기여합니다15. 예를 들어, 45억 명의 사람들이 산호초의 지원을 받는 주요 식량 원천16으로바다 물고기에 의존하고 있습니다.
생태학적, 사회적, 경제적 중요성에 관계없이 산호초는17,18로파괴되고 있습니다. 인위적 활동은 주로 산호의 죽음의 세 가지 주요 원인에 기여에 대한 책임: 기후 변화, 남획, 수질 오염19. 지구 온난화 완화를 위해 노력하는 것이 중요하지만, 산호 감소20에크게 기여할 수 있는 수질 오염을 포함한 지역 오염을 최소화하는 것도 중요합니다. 따라서, 적응하고 생존을 위해 여분의 시간을 제공 할 수있는 산호의 수명을 증가시키는 전략의 개발에 대한 긴급한 필요가있다.
이와 관련하여, 오염을 최소화하고 산호의 체력을 높이기위한 전략을 개발하는 것이 매우 중요합니다. 해양 오염 물질을 치료하기 위한 전략은 매우 다양하며 물리적, 화학적, 생물학적 접근법으로 분류될 수 있습니다. 물리적 인 접근 방식이 도움이됩니다. 그러나 항상 효율적인 것은 아닙니다. 예를 들어, 플라스틱 폐기물은 물리적 인 제거를 통해 최소화 될 수 있으며 수용성 화합물은 제거해야합니다. 이러한 화합물의 예로는 원유, 석유 산업 활동 및 유출에 의해 방출되는 원유뿐만 아니라 합성 호르몬과 같은 다른 미세 오염 물질, 일반적으로 경구 피임약의 에스트로겐 성분으로 사용되며 하수21에존재하며, 22. 오염을 줄이기 위해 화학 물질을 사용하면 특정 문제를 해결할 수 있지만 추가 오염 원을 나타낼 수도 있습니다. 이는 석유 오염을 완화하기 위한 화학적 분산제의 경우이며, 이는 석유 오염자체(23)보다해양 생태계에 더욱 독성이 있다고 설명되어 왔다. 이러한 이유로, 생물학적 접근법은 다른 방법과 비교할 때 몇 가지 장점을 제시한다. 생물 정화는 오염 물질을 덜 독성 또는 무독성 형태로 변환하는 살아있는 유기체 또는 그들의 대사산물(24)의용량이다. 생물학적 방법을 사용하는 주요 장점은 지속 가능성, 상대적 저렴한 비용, 생태 학적으로 우호적이며 다른 생태계에 적용 될 수 있다는 사실이며 환경에 미치는 영향을 최소화하거나 적게 유발합니다21, 25,26,27.
추가적으로, 환경에 존재하는 미생물 지역 사회의 조작은 추가 잠재적인 이점을 허용합니다. 호스트와 관련 되 고 그들의 건강에 필수적인 미생물군유전체가 있다. 이러한 관련 공생 미생물군유전체는 숙주 항상성19를유지하기 위해 필요하다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 관련 미생물의 조작은 식물과 포유류28,29,그러나 산호 프로바이오틱스의 사용은 여전히 새로운15. 산호는 또한 호스트, 상호 작용, 그리고 살아남기 위해 미생물의 크고 특정 인구에 의존19. 산호의 건강과 dysbiosis에 있는 이 미생물 지역 사회의 역할은 적극적인 연구 결과, 그러나 아직도 완전히 이해되고 에서30입니다. 가장 인기 있는 가설 중 하나는 산호 probiotic 가설 이라고. 공생 미생물과 환경 조건 사이의 역동적인 관계의 존재를 시사하는 것은 가장 유리한 산호메타유기체(31)의선택을 가져온다. 이 정보에 따라, 주요 잠재적인 probiotic 메커니즘, 격리에 대 한 전략 뿐만 아니라, 조작, 그리고 산호에 대 한 유익한 미생물의 배달 (BMC) 여러 가지 목적을 위해, 제안 되었다32 그리고 테스트33. 이러한 잠재적 유익한 특성으로는 온도 상승에 대한 저항성, 반응성 산소 종으로부터의 보호(ROS), 질소 고정, 오염물질에 대한 내성, 병원체에 대한 생물학적 통제 등이32.
이 연구는 해양 환경에서 흔하게 발견되는 합성 에스트로겐 17a-에티닐레스트라디올(EE2) 및 원유의 두 가지 오염물질을 분해하는 능력을 제시하는 BmCs 및 자유 살아있는 미생물의 선택에 초점을 맞추고 있습니다. 호르몬 활성제를 포함하는 오염물질은수체34,35,36,37,38,39,40, 41,42. 그 중, 합성 에스트로겐 내분비-파괴 화합물 (EDCs) 대상 세포에 에스트로겐의 작용을 모방, 동물에 여러 영향을 일으키는, 유방암을 포함 하 여, 불 임, 그리고 hermaphroditism9. EE2는 경구 피임약의 사용 때문에 인간에 의해 배설됩니다. 그것은 전통적인 폐수 처리 공장에 의해 하수에서 제거되지 않으며 매우 낮은 농도 (예를 들어, ng/L 또는 μg/L)43,44,45에서도부정적인 영향을 미칩니다. 산호 생리학에 에스트로겐의 효과에 대해 거의 알려져 있다46,47. 그러나, 스폰지, 갑각류 및 연체 동물과 같은 다른 해양 무척추 동물에, 에스트로겐은 주로 재생과 관련된 몇 가지 부정적인 영향을 일으키는 것으로 보고되었다, 이러한 개발 및 / 또는 게임테의 자극등, 효소및 단백질 행동, 배아 과정의 문제 및 기타48,49,50,51,52. EE2 오염으로 인한 부정적인 결과는 해양 생물에 영향을 미치지 않으면서 이 화합물을 환경에서 제거하기 위한 지속 가능한 접근법을 개발할 필요성을 강조합니다.
이와 병행하여 현재 전 세계 소비 에너지원의 약 40%를 차지하는오일53과마찬가지로, 만성적인 오염과 기름 유출은 암초지역(11)근처에서 종종 발생한다. 오일 오염은 여러 종의 해양 동물, 조류, 식물 및 인간54,55,56,57에부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 산호에, 그것은 표백을 일으키는 원인이 되고, 열 긴장(58)에애벌레의 저항을 감소시키고, 미생물 관련 지역 사회(21)를중단하고, 조직 괴사를 일으키는 원인이 됩니다. 또한, 유출을 시정하기 위해 석유 회사에서 일반적으로 사용하는 석유 정화 기술인 화학 분산제는 오일자체(23)보다산호에 훨씬 더 독성이 있다. 반면, 산호에서 분리된 유익한 미생물은 숙주 건강에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나, 이러한 잠재적인 probiotics의 조작 가능한 부정적인 부작용 및 메타 유기의 적합성을 개선 하기 위해 선별 될 수 있는 신진 대사 능력을 조사 하기 위해 더 나은 탐구 해야 합니다. 이러한 맥락에서, 산호 병원균에 대한 항균 활성, 산화 스트레스와 싸우는 카살라제 의 생산, 요소 분해 능력 (석회화 과정에서 중요한 역할을 할 수 있음), 유전자의 존재와 같은 특성 잠재적 인 유익한 특성을 부여하는 것은 조사의 초점이어야합니다. 여기에서, 우리는 어떻게 생물 정화와 프로바이오틱스가 오염의 영향을 완화하고 산호 건강을 향상시키는 데 사용될 수 있는지 보여줍니다. 해양 종의 지속성을 높이기 위한 개입으로 사용될 수 있는 혁신적인 접근법의 개발은 보다 지속 가능하고 건강한 지구를 향한 한 걸음을 나타냅니다.
생물 정화 접근법은 지난 50년 동안 엄청나게 탐구되었습니다. 예를 들어, 여러 다른 서식지에서 박테리아, 시아노박테리아, 미세조류 및 곰팡이 중 200개 이상의 미생물이 유화수소62,63,64의 존재를 나타내거나 분해할 수 있도록 지정되었습니다. . 또한 플라스틱, 비스페놀 A, 내분비 분열기 및 중금속과 같이 환경과 인간에 영향을 미치는 다른 종류의 화합물은 생물 정화 기술 개발65,66 ,66, 67. 한편, 해양프로바이오틱스 개발은 양식업68,69에서어류 프로바이오틱스 등 경제에 명백한 영향을 미치는 분야로 제한되어 있다. 그러나 산호초를 보호하기 위한 유익한 미생물의 고립과 특성화, 어업, 관광 및 기타 수익성 있는 활동을 지원하는 해양 생태계는15의가치가 평가되기 시작했습니다. 여기서, 지역 해양 생태계, 특히 유익한 미생물을 산호(pBMCs)에 잠재적으로 유익한 특성으로 제시할 수 있는 오염물질 분해 미생물을 선택하는 저렴하고 용이하며 접근가능한 프로토콜은, 설명.
추가적으로, 여기에서 설명된 방법은 몇몇 화합물 및 미생물 근원의 다양한 모형에 높게 적응성입니다. 최소 매질에 첨가된 유일한 탄소 원을 대체하여 상이한 오염물질을 표적화할 수 있다. 이를 위해 오일 이나 EE2 대신 다른 화합물을 원하는 농도로 첨가해야 합니다. 이것은 표적 오염 물질에 대한 열하를 격리하는 선택적 압력이 될 것입니다. 예를 들어, 내분비 장애의 다른 클래스를 저하시킬 수 있는 미생물은 이미 동일한방법론(70)을사용하여 선택및 시험되었다. 더욱이, 스폰지 및식물(71,72)과같은 다른 해양 및 육상 생물뿐만 아니라 토양, 연료 및 암석과 같은 뚜렷한 유형의 환경 샘플은 분해 미생물 공급원으로서 사용될 수있다(25) 73,74. 예를 들어, 상이한 토양 및 퇴적물 샘플25,54,63, 64,75로부터탄화수소 분해 박테리아를 검출하고 분리할 수 있었다. 마지막으로, 매체에 약간의 변형을 수행, 박테리아 이외의 미생물은 쉽게 분해 미생물로 선택 될 수있다. 예를 들어, 에스트로겐 화합물을 효율적으로 분해하는 능력을 가진 미세조류 균주는76으로보고되었다.
이상적으로, 생물 학적 – 프로바이오틱 컨소시엄은 각 특정 화합물 또는 영역에 대해 조립되어야합니다. 특정 환경에서 성장 하는 미생물 그들의 네이티브 조건에 비해 새로운 사이트에서 뿐만 아니라 성장 하지 않을 수 있습니다. 연구원은 모든 다른 환경 조건하에서 효율적으로 적용 할 수있는 제품을 찾지 못했기 때문에 각 특정 상황에 대해 새로운 컨소시엄 어셈블리를 수행해야합니다. 이것은 환경 맞춤형 회복을위한 개인화 된 약과 비슷합니다. 이러한 이유로, 잠재적인 probiotic 특성 및 저하 용량을 가진 미생물 균주의 중앙 은행의 창조는이 분야의 진행에 대 한 중요 한 단계. 이 이니셔티브는 시간과 작업을 절약하여 전 세계적으로 새로운 특정 컨소시엄의 조립에 기여할 것입니다.
산호와 관련된 미생물(즉, 미세조류, 박테리아, 고고학, 곰팡이 및 바이러스)은 숙주 항상성19를유지하는 데 복잡하고 복잡한 역할을 한다. 오염과 같은 환경 스트레스는 또한 산호 미생물군유전체를 불안정하게 할 수 있으며, 이로 인해 질병과사망률이 30을유발할 수 있는 이영양증이 발생할 수 있다. 산호 미생물군유전체가 산호 건강을 지원할 수 있는 메커니즘이 밝혀지기 시작했습니다. 이러한 메커니즘은 산호 저항과 환경 스트레스에 대한 탄력성을 이해하고, 결과적으로 암초 지속성과 보존을 촉진하는 열쇠입니다. 또한, 필드에 있는 사실 인정은 일반적인 호스트 microbiome 상호 작용을 이해하는 것을 도울 것입니다, 그밖 지역에 있는 더 나은 probiotics 및 건강 증진 전략의 발달에 기여할 수 있는. 그것은 또한 더 나은 이러한 probiotics 접종 스트레스 이벤트 동안 메타 유기의 건강에 방해가 될 수 있는 방법을 조사 하는 것이 중요 하다. 예를 들어, 산호 성능에 있는 확대는 probiotics 때문 이며 단순히 음식 소스로 박테리아를 사용 하 여 산호는 여전히 필요.
이와 동시에 새로운 컨소시엄 전달 접근법의 개발과 기존 컨소시엄의 개선이 매우 중요합니다. 컨소시엄 고정화뿐만 아니라 산호 식품 (즉, 동맥 및 회전기)을 접종하고 벡터로 사용하는 것과 같은 혁신적인 접근 법을 위한 대체 방법이 유망합니다. 이러한 전달 시스템은 또한 다른 해양 생물을 대상으로 수정될 수 있으며 해양 프로바이오틱스 분야의 성공에 필수적일 것입니다.
오염 완화와 산호초 지속성은 현재 환경 컨퍼런스에서 정기적으로 강조되는 주요 주제 중 두 가지입니다. 아젠다 2030은 유엔이 발표한 글로벌 목표 사회가 지속 가능한 미래를 위해 도달해야 하는 것을 설명하는 문서로, 각 문제에 대한 구체적인 목표를 헌납한다. 목표 6은 오염을 줄임으로써 수질 개선의 중요성을 강조하는 반면, 목표 14는 해양, 바다 및 해양자원77의보존과 지속 가능한 사용의 관련성을 강화합니다. 이러한 맥락에서 산호초 보존은 오염 완화를 포함하여 가까운 장래에 달성해야 하는 변화에 달려 있습니다. 이것은 매우 중요 한, 대부분의 거 대 한 산호 손실 지역 서식지 파괴 및 오염 등 기후 이벤트에 추가 될 때 발생 하기 때문에78,79. 이 논문은 생물 학적 교정 및 pBMC 접종을 결합하여 특정 오염 물질을 분해 할 수 있음을 보여주었으며, 오염 물질 및 기타 문제를 다루는 산호의 저항성과 탄력성을 증가시킬 수 있음을 입증했습니다. 기존 프로토콜의 최적화 및/또는 결합되거나 독립적으로 적용되는 혁신적인 방법의 개발은 해양 생태계의 미래를 결정하는 데 매우 중요합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 ANP 21005-4로 등록된 진행 중인 R&D 프로젝트와 관련하여 수행되었으며, “PROBIO-DEEP – 심해 해양 홀로비오엔트에 대한 석유 및 가스 탐사로 인한 잠재적 영향 조사 및 잠재적 생물 지표 선정 및 이러한 생태계에 대한 생물 정화 과정” (UFRJ / 쉘 브라질 / ANP) – “PROBIO-DEEP – 레반타멘토 드 potenciais impactos 코스타도스 펠라 exploração de óleo e gás em holobiontes marinhos em mar profundo e seleção de potenciais bioindicadores biorremediadores para essses ecossses”, ANP R&D 레비에서 쉘 브라질 후원 “Compromisso de Investimentos com Pesquisa e Desenvolvimento. 저자는 또한 콘셀호 나시오날 드 데센볼비멘토 Científico e Tecnológico (CNPq) 및 쿠르데나카오 드 아페르페이소아멘토 드 페소알 드 니벨 슈페리어 (CAPES) 재정 지원을 위해 감사하고, 카밀라 메시아스, 필립 로사도, 그리고 엔리케 프라고소, 제공된 이미지에 대한 것입니다.
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. |