亚硒酸盐对黄孢原毛平革菌生物膜形态和呼吸活性的影响外文翻译资料

 2022-11-04 16:57:05

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亚硒酸盐对黄孢原毛平革菌生物膜形态和呼吸活性的影响

Erika J. Espinosa-Ortiz a, , Yoan Pechaud b, Ellen Lauchnor c, Eldon R. Rene a, Robin Gerlach c, Brent M. Peyton c, Eric D. van Hullebusch b, Piet N.L. Lens a

UNESCO-IHE Institute for Water Education, Westvest 7, 2611 AX Delft, The Netherlands

Universiteacute; Paris-Est, Laboratoire Geacute;omateacute;riaux et Environnement (EA 4508), UPEM, 77454 Marne-la-Valleacute;e, France

Center for Biofilm Engineering, Montana State University, 366 EPS, PO Box 173980, Bozeman, MT 59717, USA

注意

探究Phanerochaete chrysosporium生物膜暴露于SeO32-。

于SeO32-暴露24小时时，在生物膜中出现20％的O2通量减少。

SeO32-诱导生成更紧凑、少孔的菌丝生物膜结构。

概要

使用氧微传感器和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像研究了亚硒酸盐（SeO32-）对在流动池反应器中生长的Phanerochaete chrysosporium生物膜的物理性质和呼吸活性的时间和空间影响。 将生物膜暴露于1.67mg Se L-1 h -1（10mg Se L -1流入物浓度）的SeO32-负载24小时，导致O2流量减少20％，随后减少10％ 葡萄糖消耗率。 与没有SeO32-参与生长的真菌生物膜相比，通过产生更紧密和致密的菌丝排列导致生物膜厚度的减少，对SeO32-的长期暴露（4天）影响生物膜的结构。 据我们所知，这是第一次描述了SeO32-对有效呼吸活性对真菌生物膜的影响。 2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。

  1. 介绍

硒（Se）属于元素周期表（硫属元素）第16族的元素，在低浓度下作为必需的微量营养元素起双重作用，但较高浓度对生物也具有毒性（Lenz和Lens，2009）。过量的硒会破坏蛋白质的完整性并降低细胞酶活性，对人类的健康造成严重后果，包括皮肤，呼吸系统和神经的损伤（USHHS，2003）。由于其在天然水体中的毒性，Se从环境角度具有重要的研究意义。特别是，主要与农业活动，采矿，化学，纺织，图形和电子工业有关的水溶性含氧阴离子亚硒酸盐（SeO32-）和硒酸盐（SeO42-）已经显示对水生生物产生广泛影响，导致有害生物累积的级联（Chasteen和Bentley，2003; Lemly，2004; Lenz和Lens，2009）。

使用生物制剂从水中除去污染物，如化学预沉淀，催化还原和离子交换，是有效的，经济的和环境友好的，可由于替代常规物理化学方法。不同的微生物具有将SeO32-和SeO42-转化成不溶形式，主要是元素Se（SeO）的能力。Se的生物矿化已经用于土壤和废水处理的生物修复，具有回收Se生物矿物的潜力（Nancharaiah和Lens，2015）。大多数报道的用于治疗Se污染排放物的生物技术是基于细菌的代谢（Nancharaiah和Lens，2015），虽然真菌的使用也是有希望的，因为它们在酸性条件下生长的能力，易于处理 和它们产生大量酶的固有能力。 后一种性质是特别重要的，因为金属/准金属离子的还原和其元素纳米颗粒的形成归因于酶促还原过程（Zhang等人，2011）。

吸收和挥发是主要的真菌的硒应对机制（Gharieb等人，1995）。一些真菌菌株，包括链格孢（萨卡等，2011），香菇（Vetchinkina等人，2013年）和白腐菌（埃斯皮诺萨，奥尔蒂斯等，2015），都证明在纳米尺寸范围内生物矿化Se0。这些生物纳米材料与块状材料相比具有更加优良的特性，使得它们成为用于光电池，半导体整流器和医疗应用的理想产品（Beheshti等人，2013）。在所测试的不同真菌中，它们中的大多数已被鉴定为SeO32-减少的生物体，但是SeO42-到Se0的还原仅仅是用交替的真菌提取物实现的（Sarkar等人，2011）。

先前对Se减少真菌菌株的研究大多是使用分散的丝状或自固定（小球）培养物进行的（Espinosa-Ortiz等人，2015; Gharieb等人，1995）。 然而，Se氧阴离子对真菌生物膜的形态和抑制作用还没有报道。生物膜作为天然存在的微生物群落，在水生系统中的有毒元素的生物地球化学循环中起关键作用（van Hullebusch等人，2003）。生物膜是复杂的，非均匀结构的微生物群落，附着在基质上并封闭在自生成的细胞外基质中（Flemming和Wingender，2010）。 附着和分散的微生物生长之间的主要区别源自物理结构，导致不同的质量转移模式，以及底物和营养物浓度梯度，导致显着的生理和呼吸异质性。

由于高浓度的活性酶和胞外蛋白质，生物膜被认为在真菌的情况下比浮游细胞或分散的真菌更具生产力和代谢活性（Ramage等人，2012）。已经使用基于指示性靶标的许多方法解决了生物膜对抑制性化合物的反应。例如呼吸和酶活性，细胞生长和细胞活力。使用微传感器来估计暴露于抑制剂的生物膜中的呼吸活性（O2吸收变化）已经成熟，并且其已被广泛用作评估毒性和抑制的方法（Lauchnor和Semprini，2013; Hou et al。）因此，我们在真菌生物膜生长模式中观察他们对特定抑制剂（SeO32-）的反应。

在本文中，我们首次报告，当生物膜在流动池反应器中生长时，Se减少有机体（Espinosa-Ortiz等，2015）SeO32-对的P.chrysosporium的影响。首先进行实验以评估SeO32-暴露对开发的生物膜（短期实验）的影响，其次评估SeO32对生物膜发育（长期实验）的影响。O2微传感器测量和共焦激光扫描显微镜（CLSM）成像用于可视化由SeO32-的存在诱导的时间和空间变化。 然后基于O2分布估计O2消耗速率（生物膜活性）和生物膜的物理性质，即孔隙率和密度。 使用CLSM直接观察由SeO32-引起的生物膜结构的变化。

  1. 方法

2.1 真菌菌株和培养条件

在整个研究中使用白腐霉菌（P.chrysosporium）（ATCC 24725）。 将真菌菌株在37℃下在马铃薯葡萄糖琼脂斜面上培养3天。 根据需要制备亚培养物，并保持在4℃。 将用作随后生物膜培养物的接种物的真菌孢子悬浮液通过将培养物从一个琼脂斜面悬浮在锥形瓶中的50mL液体培养基中来制备。 液体培养基含有（g L 1）：葡萄糖，2.5; KH2PO4，2; MgSO4·7H2O，0.5; NH4Cl，0.1; CaCl 2·2H2O，0.1; 硫胺素，0.001; 和5mL的微量元素溶液，如Tien和Kirk（1988）所述。 用1M HCl将初始pH调节至4.5，并将培养基在123kPa和121℃下灭菌30分钟。

2.2 生物膜生长和暴露实验

将P.chrysosporium的生物膜在SeO32-（Se处理）或不存在（未处理）的平行运行的流动池反应器（15cmtimes;3.8cmtimes;3.5cm）中培养4天（图S1， 补充材料）。每个反应器具有0.12L的工作体积和57cm2的基底表面积。反应器填充有培养基（2.5g葡萄糖L-1，pH 4.5，T 30 ℃），并允许真菌在间歇条件下生长一天以促进细胞的附着。然后以恒定流速（Qi = 0.02L h-1）向反应器供应流入物3天，以获得6小时的标准水力停留时间（HRTn）。将流出物循环（Q r = 0.09L h-1，再循环至流入物比= 4.5:1），以在反应器中提供充分混合的条件。因此，保持1.1小时的实际水力停留时间（HRTa）。 底物加载速率保持恒定在0.08g葡萄糖L-1 h-1，而Se流入浓度为10或20mg Se L-1，分别对应于1.67或3.3mg SeL-1 h-1的加载速率。 在反应器的入口与再循环流（取样口1，参见图S1，补充材料）混合之前，在进料培养基中测量报告的葡萄糖和Se的流入物浓度; 这些值用于估计反应器中的去除速率和效率（见第2.5节）。 生物膜在密闭反应器中使用大气空气作为顶空进行培养。 每当需要时，打开反应器用于测量O2分布，并注意使外部污染的可能性最小化。 显微镜成像显示在流动池反应器中没有细菌或古细菌生长的迹象。

通过测量生物膜内不同时间和位置的O2浓度分布，进行短期和长期SeO32-暴露实验以评估对真菌生物膜的空间和时间影响：

  1. 短期SeO32-暴露试验：未经处理的4日龄生物膜暴露于SeO32-（10mg Se L -1，1.67mg SeL-1 h-1）3小时和24小时。 在将生物膜暴露于SeO32-（未处理）之前以及在SeO32-暴露3小时和24小时后再次测定O2分布。 来自该实验的结果用于确定突然SeO32-暴露后生物膜内O2消耗速率的降低。
  2. 长期SeO32-暴露试验：在不存在或存在SeO32-的情况下培养生物膜4天。测定生物膜对（a）低（110mg Se L -1，1.67mg SeL-1 h-1）和（b）高（20mg Se L-1，3.3mg SeL-1 h-1）流入物浓度的响应 。 在实验2b中SeO32-浓度加倍以描绘不同SeO32-载荷对生物膜的影响。 这些生物膜的物理表征用CLSM进行。 在每个实验的孵育期（4天）结束时在生物膜内测量O2分布。

2.3 微传感器测量

使用用于O2测量的微传感器来测定SeO32-对P.chrysospo-rium生物膜内O2浓度的影响。使用具有8-12lm（Unisense，Denmark）尖端直径的Clark型O2微传感器测量生物反应器中三个不同位置处生物膜深度上的O2分布，其具有0.01mg O2-1的检测限通过在室温下和在大气O2条件下在生物反应器中连续保持流动，原位进行测量。微传感器的定位使用装配有电机控制器的微操作器进行，并且使用SensorTrace Pro软件（Unisense，Denmark）在线收集传感器输出数据。在每个位置一式三份获得O2谱。通过将在深度z处测量的O2浓度除以本体溶液中的O2浓度来归一化所获得的曲线。每个一式三份的类似O2分布的观察表明达到了伪稳态O2

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