Новости

May 30, 2023

Смешанный стресс тяжелых металлов вызывает глобальную реакцию железного голодания

Журнал ISME, том 17, страницы 382–392 (2023 г.) Цитировать эту статью 2991 Доступ 2 Цитирования 54 Подробности об альтернативных метриках Множественное загрязнение тяжелыми металлами становится все более распространенной глобальной проблемой.

Журнал ISME, том 17, страницы 382–392 (2023 г.) Процитировать эту статью

2991 Доступов

2 цитаты

54 Альтметрика

Подробности о метриках

Множественное загрязнение тяжелыми металлами становится все более распространенной глобальной проблемой. Тяжелые металлы могут нарушить микробно-опосредованный биогеохимический цикл. Однако исследования на системном уровне по влиянию комбинаций тяжелых металлов на бактерии отсутствуют. Для этого исследования мы сосредоточились на недрах резервации Ок-Ридж (ORR; Ок-Ридж, Теннесси, США), которые загрязнены несколькими тяжелыми металлами и высокими концентрациями нитратов. Используя нативный изолят Bacillus cereus, который представляет собой доминирующий вид на этом участке, мы оценили совокупное воздействие восьми металлических примесей, все в концентрациях, соответствующих данному участку, на клеточные процессы с помощью интегрированного мультиомного подхода, который включал протеомику открытий, целевую метаболомику, и целевое профилирование экспрессии генов. Комбинация восьми металлов повлияла на физиологию клеток таким образом, который нельзя было предсказать, суммируя фенотипические реакции на отдельные металлы. Воздействие смеси металлов вызвало глобальную реакцию железного голодания, не наблюдавшуюся при индивидуальном воздействии металла. Это нарушение гомеостаза железа привело к снижению активности железо-кофакторов, содержащих нитрат и нитритредуктаз, которые важны для биологического удаления нитратов на месте. Мы предполагаем, что комбинаторные эффекты одновременного воздействия нескольких тяжелых металлов являются недооцененной, но значимой формой клеточного стресса в окружающей среде, которая потенциально может нарушить глобальные циклы питательных веществ и затруднить усилия по биоремедиации на свалках смешанных отходов. Наша работа подчеркивает необходимость перехода от исследований с одним металлом к ​​исследованиям с несколькими металлами для оценки и прогнозирования воздействия сложных загрязнителей на микробные системы.

Начиная с 20-го века, рост уровня загрязнения тяжелыми металлами происходил как в водной [1, 2], так и в наземной среде [3, 4] из-за увеличения антропогенного воздействия в результате урбанизации, промышленных процессов и сельскохозяйственной деятельности. Независимо от конкретного источника поступления, общей темой, возникающей на загрязненных участках, является одновременное присутствие нескольких тяжелых металлов в повышенных концентрациях [2, 5,6,7,8]. Недавний метаанализ, проведенный Zhou et al. [2] собрали концентрации тяжелых металлов в поверхностных водоемах мира и сравнили эти значения с пределами, установленными ВОЗ и Агентством по охране окружающей среды США. С 1972 по 2017 год загрязнение поверхностных вод тяжелыми металлами изменилось от одного металла к множеству металлов.

Загрязнение тяжелыми металлами не только вредно для здоровья человека [9], животных [10, 11] и растений [12], но также нарушает естественный круговорот элементов за счет воздействия на микробную активность. Апонте и др. [13] обнаружили, что отдельные загрязнители тяжелых металлов линейно снижают активность ключевых почвенных микробных ферментов, особенно тех, которые участвуют в круговороте углерода и серы. В почвенных системах отдельные загрязнители тяжелых металлов ингибируют несколько этапов путей денитрификации, что приводит к накоплению токсичных промежуточных продуктов, включая нитрит и парниковый газ закись азота [14,15,16]. Однако исследований, изучающих воздействие экологически значимых комбинаций тяжелых металлов на микроорганизмы окружающей среды, мало. Единственный отчет Dey et al. [17] исследовали протеомный ответ эукариотического микроорганизма Aspergillus fumigatus на мультиметаллический стресс и предположили роль путей обмена белка и антиоксидантных белков в этом ответе. Однако в этом исследовании не исследовалось, вызвана ли эта реакция синергическим или аддитивным интерактивным действием металлов в смеси. В прокариотических системах ограниченные исследования этой формы стресса были сосредоточены исключительно на определении значений IC50 для бинарных комбинаций металлов [18,19,20,21,22,23,24]. Например, Фулладоса и др. [18] исследовали синергетическую/антагонистическую токсичность бинарных пар металлов у Vibrio fisheri путем определения значений IC50 для отдельных металлов и бинарных комбинаций металлов. Они обнаружили, что пары Co-Cu и Zn-Pb, а также пары Co-Cd, Cd-Zn, Cd-Pb и Cu-Pb оказывают синергетическое и антагонистическое воздействие на рост V. fisheri соответственно. [18]. Однако механизм этих интерактивных эффектов остается неизвестным, а влияние многократного воздействия металлов на регуляцию и метаболизм бактериальных генов до сих пор не изучено.