Föroreningar påverkar alla biomer. Marina miljöer har särskilt påverkats, särskilt korallrev, ett av de känsligaste ekosystemen på jorden. Bioremediering är organismernas förmåga att försämra föroreningar. Här beskriver vi metoder för att isolera och testa mikrober presentera bioremediering förmåga och potentiella probiotiska egenskaper för koraller.
Föroreningar påverkar alla biomer. Marina miljöer har särskilt påverkats, särskilt korallrev, ett av de känsligaste ekosystemen på jorden. Globalt, 4 500 000 000 människor är ekonomiskt beroende av havet, där de flesta av deras försörjning tillhandahålls av korallrev. Koraller är av stor betydelse och därför deras utrotning leder till katastrofala följder. Det finns flera möjliga lösningar för att avhjälpa Marina föroreningar och lokal förorening, inklusive biologisk sanering. Bioremediering är organismernas förmåga att försämra föroreningar. Metoden innebär flera fördelar, såsom hållbarhet, relativt låg kostnad, och det faktum att den kan tillämpas i olika ekosystem, vilket ger minimal påverkan på miljön. Som en extra fördel, manipulation av endogena mikrobiomer, inklusive förmodade nyttiga mikroorganismer för koraller (pbmcs), kan ha probiotiska effekter för marina djur. I detta sammanhang kan användningen av de två metoderna, bioremediering och pBMC-ympning kombineras, vara lovande. Denna strategi skulle främja nedbrytning av specifika föroreningar som kan vara skadliga för koraller och andra metaorganismer och samtidigt öka värd motståndet och motståndskraften för att hantera föroreningar och andra hot. Denna metod fokuserar på valet av pBMCs att försämra två föroreningar: den syntetiska östrogen 17a-etinylestradiol (EE2) och råolja. Båda har rapporterats negativt påverka marina djur, inklusive koraller, och människor. Protokollet beskriver hur man isolerar och testar bakterier som kan försämra de specifika föroreningarna, följt av en beskrivning av hur man upptäcker några förmodade fördelaktiga egenskaper hos dessa associerade mikrober till deras korall värd. De metoder som beskrivs här är relativt billiga, lätt att utföra, och mycket anpassningsbar. Nästan alla typer av lösliga mål förening kan användas i stället för EE2 och olja.
Förorening är en viktig fråga som berör människors, djurs och växters hälsa i världen. Även om föroreningar kan vara naturliga, såsom vulkaniska aska1, är mänsklig verksamhet den främsta orsaken till de flesta föroreningar. Antropogena verksamhet förorenar jord, vatten och luft, som direkt eller indirekt leder till nästan 20 000 000 förtida dödsfall i människor2 och decimera miljarder andra former av liv årligen. Föroreningar är närvarande även i de mest avlägsna områden av planeten. Till exempel har tungmetaller och långlivade organiska föreningar upptäckts i djup havslevande ryggradslösa djur och Polar däggdjur, respektive3,4.
Marina miljöer har särskilt påverkats av föroreningar. Under en lång tid, det antogs att havet skulle förbli opåverkade och leverera en oändlig källa av varor på grund av dess massiva volym av vatten5. Av denna anledning, alla typer av industri och institutioner fritt släppt avfall i vattenförekomster i århundraden6,7. Flera föroreningar av alla slag, såsom plast8, syntetiska hormoner9, bekämpningsmedel10, olja11, näringsämnen12, tungmetaller3, och radioaktivt avfall13 har rapporterats som påverkar havsekosystem. I detta sammanhang är korallrev bland de viktigaste och mest känsliga ekosystemen i marina miljöer14. Rev är kust beskyddare, avgörande för utvecklingen av tusentals marina arter genom att spela viktiga roller i näringsämnen cykling och klimatkontroll. Reven bidrar också till ekonomin genom att erbjuda fisk, varor och turism, bland annat15. Till exempel, 4 500 000 000 människor är beroende av havsfisk som sin huvudsakliga födokälla16, som i hög grad stöds av korallrev.
Oavsett deras ekologiska, sociala och ekonomiska betydelse, är korallrev som decimerats17,18. Antropogena verksamhet är främst ansvarig för att bidra till de tre främsta orsakerna till koraller död: klimatförändringar, överfiske och vattenförorening19. Även om det är viktigt att arbeta med att mildra den globala uppvärmningen, är det också viktigt att arbeta på att minimera lokala föroreningar, inklusive vattenföroreningar, som kan kritiskt bidra till korall nedgång20. Därför finns det ett brådskande behov av att utveckla strategier för att öka korallernas livstid, vilket skulle kunna ge dem extra tid att anpassa sig och överleva.
I detta avseende är det oerhört viktigt att hitta lösningar för att minimera kontaminering och utveckla strategier för att öka konditionen av koraller. Strategier för att avhjälpa Marina föroreningar är mycket varierande och kan grupperas i fysikaliska, kemiska och biologiska metoder. Fysiska metoder är till hjälp. De är dock inte alltid effektiva. Till exempel kan plastavfall minimeras genom fysisk borttagning, medan vattenlösliga föreningar behöver andra metoder för att elimineras. Exempel på sådana föreningar är råolja, frigörs genom oljeindustrin verksamhet och spill, liksom andra mikroföroreningar, såsom syntetiska hormoner, som normalt används som östrogena komponenten i orala preventivmedel och finns i avloppsvatten21, 22. användningen av kemiska ämnen för att minska kontaminering kan lösa ett specifikt problem, men det kan också utgöra en extra föroreningskälla. Detta är fallet med kemiska dispergeringsmedel för att mildra oljeförorening, som har beskrivits som ännu mer giftigt för marina ekosystem än oljeföroreningen själv23. Av dessa skäl, biologiska metoder uppvisar flera fördelar jämfört med de andra metoderna. Biologisk sanering är förmågan hos levande organismer, eller deras metaboliska produkter, att omvandla föroreningar till mindre giftiga eller giftfria former24. De främsta fördelarna med att använda biologiska metoder är hållbarhet, relativ låg kostnad, det faktum att de är ekologiskt vänliga, och att de kan tillämpas i olika ekosystem, vilket orsakar minimal eller mindre påverkan på miljön21, 25,26,27.
Dessutom tillåter manipulering av den mikrobiella gemenskapen som finns i en miljö en extra potentiell fördel. Det finns mikrobiomer som är associerade med värdar och är viktiga för deras hälsa. Det är välkänt att dessa tillhörande symbiotiska mikrobiomer är nödvändiga för att bibehålla värd homeostas19. Manipuleringen av dessa associerade mikroorganismer har väl utforskats för värdar som växter och däggdjur28,29, men användningen av korall probiotika är fortfarande ny15. Koraller också värd, interagera med, och beror på stora och specifika populationer av mikroorganismer att överleva19. Den roll som dessa mikrobiella samhällen i hälsa och dysbios av koraller är under aktiv studie, men det är fortfarande långt ifrån helt förstått30. En av de mest populära hypoteser kallas Coral probiotiska hypotesen. Det antyder att det finns en dynamisk relation mellan symbiotiska mikroorganismer och miljöförhållanden som leder till valet av de mest fördelaktiga korallmetaorganismerna31. Baserat på denna information, viktiga potentiella probiotiska mekanismer, samt strategier för isolering, manipulation, och leverans av nyttiga mikroorganismer för koraller (BMC) för flera ändamål, föreslogs32 och testade33. Dessa potentiella nyttiga egenskaper inkluderar resistens mot temperaturökning, skydd mot reaktiva syreradikaler (ROS), kvävefixering, resistens mot föroreningar, och biologisk kontroll av patogener, bland annat32.
Denna studie fokuserar på valet av BMC och fritt levande mikroorganismer som presenterar möjligheten att försämra två föroreningar som vanligtvis finns i marina miljöer: den syntetiska östrogen 17a-etinylestradiol (EE2) och råolja. Förorenande ämnen som innehåller hormon aktiva substanser finns ofta i vattenförekomster34,35,36,37,38,39,40, 41,42. Bland dem, syntetiska östrogena endokrina-disruptor föreningar (EDCs) efterlikna effekten av östrogener på målceller, orsakar flera effekter på djur, inklusive bröstcancer, infertilitet, och hermafroditism9. EE2 utsöndras av människor på grund av användningen av p-piller. Det tas inte bort från avloppsvatten av traditionella reningsverk och har negativa effekter även vid mycket låga koncentrationer (t. ex. ng/l eller μg/l)43,44,45. Lite är känt om effekterna av östrogener på korallfysiologi46,47. Emellertid, på andra Marina ryggradslösa djur, såsom svampar, kräftdjur och blötdjur, östrogener rapporterades orsaka flera negativa effekter främst relaterade till reproduktion, såsom utveckling och/eller stimulering av könsceller, förändring i enzymatisk och protein åtgärder, problem i embryonala processer, och andra48,49,50,51,52. De negativa konsekvenser som orsakas av EE2 förorening belysa nödvändigheten att utveckla hållbara metoder för att avlägsna denna förening från miljön utan att påverka det marina livet.
Parallellt med olja som för närvarande står för nästan 40% av världens förbrukade energikällor53, kronisk förorening och oljeutsläpp förekommer ofta nära revområden11. Oljeförorening rapporterades orsaka negativa effekter i flera arter av marina djur, fåglar, växter, och människor54,55,56,57. På koraller, det orsakar blekning, minskar motståndet av larver till termisk stress58, stör de mikrobiella associerade samhällen21, och orsakar vävnadsnekros. Dessutom kemiska dispergeringsmedel, en olja sanering teknik som vanligen används av oljebolag för att avhjälpa spill, är ännu mer giftiga för koraller än oljan själv23. Nyttiga mikroorganismer isolerade från koraller, däremot, är kända för att spela avgörande roller på värdens hälsa. Emellertid, manipulation av dessa potentiella probiotika måste utforskas bättre för att undersöka eventuella negativa biverkningar och den metaboliska kapacitet som kan undersökas för att förbättra konditionen av metaorganismen. I detta sammanhang, egenskaper såsom antimikrobiell aktivitet mot korallpatogener, produktion av katalas att bekämpa oxidativ stress, förmågan att försämra urea (som kan ha viktiga roller i förkalkning), och närvaron av gener som ger potentiella fördelaktiga egenskaper, bland annat, måste vara i fokus för utredning. Här visar vi hur bioremediering och probiotika kan användas för att samtidigt mildra effekterna av föroreningar och förbättra korallhälsan. Utvecklingen av innovativa metoder som kan användas som interventioner för att öka den marina arternas beständighet utgör ett steg mot en mer hållbar och hälsosammare planet.
Bioremediering metoder har kraftigt utforskats under de senaste 50 åren. Till exempel, över 200 mikrober bland bakterier, cyanobakterier, mikroalger, och svampar i flera olika livsmiljöer, har utsetts som kan indikera förekomst och/eller försämra olja kolväten62,63,64 . Dessutom är andra klasser av föreningar som orsakar påverkan på miljön och för människor, såsom plast, bisfenol A, hormonstörande ämnen, och tungmetaller, mål för bioremediering teknikutveckling65,66, 67. Å andra sidan, Marine probiotiska utveckling har begränsats till de områden som har en uppenbar inverkan på ekonomin, såsom fisk probiotika i vattenbruk68,69. Men isolering och karakterisering av nyttiga mikroorganismer för att skydda korallrev, marina ekosystem som stöder fiske, turism och andra lönsamma aktiviteter, börjar värderas15. Här, ett billigt, enkelt och lättillgängligt protokoll för att välja förorening-nedbrytande mikroorganismer som också kan presentera potentiellt gynnsamma egenskaper för lokala marina ekosystem, särskilt förmodade nyttiga mikroorganismer till koraller (pbmcs), är Beskrivs.
Dessutom, den metod som visas här är mycket anpassningsbar till flera föreningar och olika typer av mikrobiella källor. Det är möjligt att inrikta sig på olika föroreningar genom att ersätta den enda kol källan som tillförs minimimediet. För detta, i stället för olja eller EE2, andra föreningar bör läggas till den önskade koncentrationen. Detta skulle vara det selektiva trycket att isolera nedbrytare för de riktade föroreningarna. Till exempel har mikroorganismer som kan försämra andra klasser av hormonstörande ämnen redan valts ut och testats med samma metod70. Dessutom kan andra Marina och landlevande organismer, såsom svampar och växter71,72, samt olika typer av miljöprover, såsom jord, bränsle och bergarter användas som de förnedrande-mikrobiella källorna25, 73,74. Till exempel var det möjligt att upptäcka och isolera kolvätenedbrytande bakterier från olika jord-och sedimentprover25,54,63,64,75. Slutligen, utföra smärre ändringar i media, andra mikroorganismer än bakterier kan lätt väljas som förnedrande mikrober. Till exempel, en mikroalger stam med förmågan att effektivt försämra östrogen föreningar har rapporterats76.
Helst måste bioremediering-probiotiska konvaler monteras för varje specifik förening eller område. Mikrober som växer i en viss miljö kan inte växa lika bra på nya platser jämfört med deras inhemska förhållanden. Eftersom forskarna inte har funnit en produkt som effektivt kan appliceras under alla olika miljöförhållanden, bör nya konkatör utföras för varje specifik situation. Detta skulle vara besläktad med personlig medicin för miljöanpassad återhämtning. Av denna anledning är skapandet av en centralbank av mikrobiella stammar med potentiella probiotiska egenskaper och nedbrytning kapacitet ett viktigt steg för utvecklingen av detta område. Detta initiativ skulle spara tid och arbete och bidra till att församlingen för nya specifika konvaler över hela världen.
Mikroorganismer i samband med koraller (dvs., mikroalger, bakterier, Archaea, svampar, och virus) har en komplex och intrikata roll i att upprätthålla värd homeostas19. Miljömässiga stressfaktorer, såsom föroreningar, kan också destabilisera korallmikrobiomen, vilket resulterar i dysbios, som kan orsaka sjukdom och dödlighet30. De mekanismer genom vilka koraller mikrobiomet kan stödja korall hälsa börjar avslöjas. Dessa mekanismer är nyckeln till att förstå korall motstånd och motståndskraft mot miljömässiga stressfaktorer och, följaktligen, för att främja revet uthållighet och bevarande. Dessutom, resultat på området kommer att bidra till att förstå allmän värd-microbiome interaktioner, som kan bidra till utvecklingen av bättre probiotika och hälsofrämjande strategier inom andra områden. Det är också viktigt att bättre undersöka hur dessa probiotika vaccinationer kan störa metaorganismernas hälsa under stresshändelser. Till exempel, arbete som visar att förstoring i korall prestanda beror på probiotika och inte bara koraller med hjälp av bakterier som en näringskälla behövs fortfarande.
Parallellt med detta är utvecklingen av nya konvalörer och förbättringen av de befintliga konsortietörerna av stor betydelse. Alternativa metoder för konsortieimmobilisering samt innovativa metoder, som att vaccinera korallföda (dvs. Artemia och rotifers) och använda dem som vektorer, är lovande. Dessa leveranssystem kan också ändras för att rikta andra marina organismer och kommer att vara avgörande för framgången för den marina probiotika fältet.
Förorening minskning och korallrev uthållighet är för närvarande två av de viktigaste ämnena lyfts fram i miljökonferenser regelbundet. Agenda 2030, ett dokument som publicerats av FN och som beskriver de globala målen samhället bör nå för att möjliggöra en hållbar framtid, ägnar specifika mål för varje fråga. Medan mål 6 belyser vikten av förbättrad vattenkvalitet genom att minska föroreningarna, förstärker mål 14 betydelsen av bevarande och hållbar användning av haven, haven och marina resurser77. I detta sammanhang, korallrev bevarande beror på förändringar som bör uppnås inom en snar framtid, inklusive förorening minskning. Detta är av stor betydelse, eftersom de flesta massiva korall förluster inträffade när andra faktorer lades till klimathändelser, såsom lokala Habitat förstörelse och förorening78,79. Detta papper visade att det är möjligt att kombinera bioremediering och pBMC-inympning för att försämra specifika föroreningar, samtidigt som det kan öka korallens motståndskraft och motståndskraft mot föroreningar och andra frågor. Optimering av existerande protokoll och/eller utveckling av innovativa metoder, kombinerade eller oberoende tillämpade, kommer att vara avgörande för att fastställa framtiden för de marina ekosystemen.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning genomfördes i samarbete med det pågående R & D-projektet som registrerades som ANP 21005-4, “PROBIO-DEEP-undersökning av potentiella effekter orsakade av olje-och gasprospektering på djup havs marin holobionts och urval av potentiella bioindikatorer och bioremedieringsprocesser för dessa ekosystem “(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 “, sponsrad av Shell Brasil under ANP R & D Levy som” Compromisso de Investimentos com pesquisa e Desenvolvimento. Författarna tackar också Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) och Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de Nível Superior (CAPES) för ekonomiskt stöd, och Camila Messias, Phillipe Rosado, och Henrique Fragoso dos Santos, för de bilder som tillhandahålls.
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. |