مانیتورینگ زیستی آلودگی فلزات سنگین توسط حسگرهای زیستی باکتریایی بیولومینسانس

چکیده:

هدف: مطالعه حاضر بر جداسازی باکتری های بیولومینسانس از روده خارپشت دریایی و استفاده از خاصیت لومینسانس آن به عنوان یک حسگر زیستی بالقوه برای تشخیص سمیت کروم در آب متمرکز است. روش شناسی: باکتری های بیولومینسانس، JAAKP J2 از روده گونه Pseudoboletia indiana خارپشت دریایی جمع آوری شده از ساحل دانشگاه پوندیچری جدا شد. مورفولوژیکی، بیوشیمیایی، پروفایل آنزیمی و خصوصیات مولکولی از طریق توالی یابی 16S برای شناسایی سویه انجام شد. سنجش سینتیک رشد و آنالیز اسپکتروفتومتری تحت شرایط تنش کروم بر روی سویه های بیولومینسانس برای مطالعات مهار لومینسانس انجام شد. سپس باکتری های بیولومینسانس در ورقه های مکعبی نوترینت آگار تثبیت شدند و به عنوان حسگر زیستی برای تشخیص غلظت کروم شش ظرفیتی در نمونه های آب مورد استفاده قرار گرفتند. یافته ها: خصوصیات مورفولوژیکی، بیوشیمیایی و مولکولی نشان داد که ایزوله JAAKP J2 ارتباط نزدیکی با Vibrio campbellii دارد. آنزیم های مهم صنعتی مانند پروتئاز، لیپاز، آگاراز، سلولاز، زایلاناز و ژلاتیناز نیز در این مطالعه غربالگری شدند. حسگر زیستی توسعه یافته با استفاده از خاصیت بیولومینسانس ایزوله قادر به تشخیص سطح سمیت کروم در نمونه های آب با غلظت نه بیشتر از 9 میلی گرم در لیتر بود. علاوه بر این، ما یک مسیر فرضی احتمالی برای کاهش خاصیت لومینسانس به دلیل ROS (گونه های اکسیژن فعال) ناشی از سمیت کروم شش ظرفیتی در باکتری ها را بیان کرده ایم. نوظهوری: این مطالعه برای اولین بار در نوع خود در جداسازی سویه بیولومنسنت از توتیای دریایی و استفاده از آن به عنوان حسگر زیستی برای تشخیص فلزات سنگین در آب است. مطالعه ما همچنین به رویکرد آینده نگر در تشخیص سایر فلزات سنگین مانند سرب، روی، کادمیوم، جیوه در نمونه های آب توسط لومینسانس باکتریایی اشاره می کند.

مقدمه:

اکوسیستم دریایی بزرگترین سیستم آبی جهان را تشکیل می دهد که بیش از 70 درصد از سیاره را در بر می گیرد. با توجه به تنوع گسترده باکتری ها و گونه های جدید باکتریایی، این اکوسیستم بسیار امیدوار کننده است. بیشتر باکتری های دریایی هالوفیل هستند که در شرایط نمک شدید به روشی بسیار گسترده تر از سایر اشکال حیات رشد می کنند. ویبریوها عموما نمک دوست هستند و گونه های مختلف آن ها غلظت های مختلف نمک مورد نیاز را انتخاب می کنند.

بیولومینسانس یک پدیده طبیعی تولید نور توسط موجودات زنده است که شامل واکنش های شیمیایی است. هدف از تولید بیولومینسانس از ارگانیسمی به ارگانیسم دیگر متفاوت است، عموما به عنوان یک مکانیسم دفاعی، شکار یا جفت گیری و غیره. باکتری های بیولومینسانس معمولا در آب اقیانوس ها یافت می شوند، در آنجا معمولا در دستگاه گوارش ماهی های دریایی غالب هستند، به عنوان انگل در سخت پوستان و حشرات حشرات و ماهی های نورانی وجود دارند. . ارگانیسم های اصلی که قادر به نمایش بیولومینسانس هستند شامل چهار جنس باکتریایی است: Vibrio، Photobacterium، Shewanella و Photorhabdus.

V. fischeri، V. harveyi، V.logei، Photobacterium phosphoreum، P. leiognathietc از این جنس ها کم هستند. اعضای Vibrionaceae برای درک مکانیسم اساسی بیولومینسانس باکتریایی به خوبی مستند شده اند.

در یک واکنش بیولومینسانس، سوبسترای آلدئید آلیفاتیک، O2 و مونونوکلئوتید ریبوفلاوین احیا شده (FMNH2)، به اسید آلیفاتیک مربوطه، H2O و FMN با تولید همزمان نور در طول موج 490 نانومتر تبدیل می شوند.

FMNH2 + RCHO + O2 → FMN + RCOOH + H2O + light (490 nm)

واکنش می دهد، ژن های کد کننده آنزیم لوسیفراز فعال می شوند. در نتیجه، ترکیبی تولید می کند که یک کمپلکس بسیار پایدار با آلدهید تشکیل می دهد و با اتلاف انرژی نور به دلیل اکسیداسیون سوبسترا، به آرامی تجزیه می شود. مجموعه ای از 8 ژن لوکس (lux ICDABEG + پایان دهنده رونویسی) که مسئول کدگذاری پروتئین ها برای بیولومینسانس هستند، اپرون سمت راست را تشکیل می دهند. این آنزیمی را رمزگذاری می کند که برای سنتز ژن lux I (خود القا کننده) و زیر واحدهای آلفا (lux A) و بتا (lux B) آنزیم لوسیفراز مورد نیاز است. ژن های lux C، D و E آنزیم های شرکت کننده در تشکیل آلدئید آلیفاتیک را رمزگذاری می کنند، luxG مستقیما در لومینسانس شرکت نمی کند. ظرفیت سلول برای سنتز FMN را افزایش می دهد. ژن LuxR پروتئین تنظیم کننده رونویسی را کد می کند که اپرون سمت چپ را تشکیل می دهد. بیولومینسانس در باکتری ها همچنین می تواند توسط فرآیند القای خودکار یا Quorum Sensing (QS) که توانایی باکتری برای تنظیم بیان ژن در پاسخ به تراکم سلولی است، تنظیم شود.این مکانیسم توسط آنزیم لوسیفراز در حضور O2
کاتالیز می شود. آنزیم لوسیفراز یک مولکول هترودیمری 77 کیلو دالتون است. زمانی که FMNH2
با O2

کروم شش ظرفیتی یک ترکیب بسیار سمی است که سیستم های آبی را آلوده می کند. آنها سرطان زاهای ژنوتوکسیک قوی هستند که عمدتا از تری اکسید کروم و نمک های مختلف کرومات و دی کرومات به دست می آیند. اثرات نامطلوب بهداشتی مرتبط با قرار گرفتن در معرض کروم شش ظرفیتی شامل سوزش و آسیب چشم، سوراخ شدن طبل گوش، آسم شغلی، سرطان تنفسی، تحریک پوست، تغییر رنگ دندان ها، خونریزی گوارشی، همولیز و اختلال عملکرد ریوی است. سنجش های بیولومینسانس در ترکیب با سایر آزمایش های زیستی یا آنالیز شیمیایی می توانند به طور موثر برای نظارت بر سطح این ترکیبات سمی در اکوسیستم آبی مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از سنجش های بیولومینسانس برای شناسایی آلاینده های سمی مانند کروم شش ظرفیتی در آب، امکان پایش آلاینده ها را به روشی سریع، ارزان و ساده فراهم می کند. در سنجش سمیت، باکتری های بیولومینسنت را می توان برای کوتاه مدت، بر اساس تغییر در شدت نور، یا در بلندمدت با بررسی تغییر در نرخ رشد و زنده مانی آن ها مورد استفاده قرار داد. مهندسی زیستی ژن هایی که مسئول بیولومینسانس هستند نیز کاربردهای زیست محیطی قوی دارند. از آنجایی که افزایش خطر ناشی از تعداد زیادی مواد سمی آلی و معدنی در محیط، به ویژه در سیستم های آبی وجود دارد، نیاز به ابزارهای اقتصادی موثر مانند حسگرهای زیستی برای شناسایی این آلاینده ها ضروری است. مطالعه حاضر رابطه معکوس با افزایش غلظت کروم در آب با کاهش درخشندگی زیستی جدایه JAAKP J2 نشان می دهد. این باعث می شود ایزوله JAAKP J2 به عنوان یک حسگر زیستی موثر و امیدوارکننده برای تشخیص کروم شش ظرفیتی در آب باشد.

نتیجه گیری:

فلز سنگین کروم به طور گسترده در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می شود و به طور کلی در منابع آب طبیعی تخلیه می شود. این یک تهدید بالقوه برای محیط زیست و سلامت عمومی است، زیرا زیست تخریب ناپذیر است و از نظر زیست محیطی پایدار است. تشخیص چنین آلودگی کروم در منابع آب طبیعی از طریق فعالیت های بیولوژیکی باکتری ها یک رویکرد آینده نگر مقرون به صرفه خواهد بود. از طریق مطالعات ما واضح است که Vibrio campbellii قادر به تولید لومینسانس در فاز ثابت چرخه رشد خود است. با در نظر گرفتن این مشاهدات حیاتی، ما فعالیت لومینسانس Vibrio campbellii را تحت سطوح تنش مختلف غلظت کروم در محیط کشت مورد مطالعه قرار دادیم و دریافتیم که با افزایش غلظت کروم (VI)، بیولومینسانس شروع به کاهش کرد و هیچ لومینسانسی پس از غلظت 9 میلی گرم برL ازCr، نشان داده نشد. همچنین مشاهده شد که با افزایش غلظت کروم، فاز رشد با یک فاز رشد ثابت محدود کاهش یافت. این ایدئولوژی در توسعه یک حسگر زیستی باکتریایی برای تشخیص سطح غلظت کروم در آب استفاده شده است. این مطالعه را می توان به تشخیص فلزات سنگین مانند Co(II)، Ni(II)، Ag(I)، Fe(II) Cu(II)، Cd(II)، Pb(II)، Zn(II) در رویکردی آینده نگر، گسترش داد. به طور کلی، باکتری های بیولومینسنت می توانند به طور موثر به عنوان ابزاری در تشخیص آلاینده های شیمیایی در آب به روشی بسیار مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست استفاده شوند.