Tách riêng và đặc trưng của một tập hợp vi khuẩn hiếu khí có khả năng phân hủy roxarsone

V. G. Guzmán-Fierro1, R. Moraga2, C. G. León1, V. L. Campos1, C. Smith3, M. A. Mondaca1
1Environmental Microbiology Laboratory, Department of Microbiology, Faculty of Biological Science, University of Concepción, Concepción, Chile
2Microbiology Laboratory, Faculty of Renewable Natural Resources, University of Arturo Prat, Iquique, Chile
3Department of Microbiology, Faculty of Biological Science, University of Concepción, Concepción, Chile

Tóm tắt

Roxarsone là một hợp chất organoarsenical được sử dụng như phụ gia thực phẩm trong ngành chăn nuôi gia cầm. Roxarsone có nguy cơ tiềm ẩn gây ô nhiễm môi trường, chủ yếu thông qua việc sử dụng phân gia cầm chứa roxarsone làm phân bón, giải phóng arsen vô cơ vào đất và nước. Mục tiêu của công trình này là tách riêng và đặc trưng một tập hợp vi khuẩn có khả năng phân hủy roxarsone trong điều kiện hiếu khí. Một tập hợp vi khuẩn đã được nuôi cấy từ một mẫu đất thu được từ một cánh đồng được bón phân bằng phân gia cầm chứa roxarsone. Tập hợp vi khuẩn này được nuôi cấy trong điều kiện có và không có mặt roxarsone. Sự phân hủy roxarsone và động lực tăng trưởng được xác định bằng cách ủ tập hợp vi khuẩn trong sự hiện diện của roxarsone ở nhiệt độ phòng và trong điều kiện hiếu khí. Cả hai tập hợp vi khuẩn đều được phân tích về mặt phân tử thông qua phân tích điện di gel gradient biến tính và về mặt chuyển hóa thông qua các bảng Ecoplates Biolog. Arsen vô cơ được đánh giá bằng cách kết tủa với bạc nitrat. Tập hợp vi khuẩn cũng được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy rằng tốc độ tăng trưởng của tập hợp vi khuẩn cao hơn 1.4 lần trong sự hiện diện của roxarsone và 81.04% roxarsone đã được chuyển đổi sau 7 ngày ủ. Phân tích phân tử cho thấy sự hiện diện của nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau, trong đó alphaproteobacteria và firmicutes là những nhóm có số lượng cao nhất trong cả hai tập hợp. Hồ sơ chuyển hóa của tập hợp không thay đổi trong sự hiện diện của roxarsone, nhưng cho thấy khả năng oxi hóa amine cao hơn, ngụ ý sản xuất amine chức năng để giảm độ ổn định của năng lượng cộng hưởng vòng thơm, vấn đề chính liên quan đến sự phân hủy của các hợp chất thơm.

Từ khóa

#roxarsone #vi khuẩn hiếu khí #phân hủy #arsen vô cơ #sinh học phân tử

Tài liệu tham khảo

Amann RI, Ludwig W, Scheleifer KH (1995) Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. Microbiol Rev 59:143–169 Andra SS, Makris KC, Quazi S, Sarkar D, Datta R, Bach SB (2010) Organocopper complexes during roxarsone degradation in wastewater lagoons. Environ Sci Pollut 17:1167–1173 Brosius J, Palmer ML, Kennedy PJ, Nollerm HF (1978) Complete nucleotide sequence of a 16S ribosomal RNA gene from Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci 75:4801–4805 Buchan A, Collier LS, Neidle EL, Moran MA (2000) Key aromatic-ring-cleaving enzyme, protocatechuate 3,4-dioxygenase, in the ecologically important marine Roseobacter lineage. Appl Environ Microbiol 66:4662–4672 Campos VL, León C, Mondaca MA, Yañez J, Zaror C (2011) Arsenic mobilization by epilithic bacterial communities associated with volcanic rocks from Camarones River Atacama Desert Northern Chile. Arch Environ Contam Toxicol 61:185–192 Carmona M, Zamarro MT, Blázquez B, Durante G, Juárez JF, Valderrama JA, Barragán MJ, García JL, Díaz E (2009) Anaerobic catabolism of aromatic compounds: a genetic and genomic view. Microbiol Mol Biol Rev 73:71–133 Chapman HD, Johnson ZB (2002) Use of antibiotics and roxarsone in broiler chickens in the USA: analysis for the years 1995 to 2000. Poult Sci 81:356–364 Christen K (2001) Environmental news: chickens, manure, and arsenic. Environ Sci Technol 35:184–185 Clarke K, Gorley R (2001) PRIMER v5: user manual/tutorial PRIMER-E. Plymouth, UK Cortinas I, Field JA, Kopplin M, Garbarino JR, Gandolofi AJ, Sierra-Alvarez R (2006) Anaerobic biotransformation of roxarsone and related N-substituted phenylarsonic acids. Environ Sci Technol 40:2951–2957 D’Angelo EM, Zeigler G, Beck EG, Grove J, Sikora F (2012) Arsenic species in broiler (Gallus gallus domesticus) litter, soils, maize (Zea mays L.), and groundwater from litter-amended fields. Sci Total Environ 438:286–292 EPA (1988) Risk assesment forum. Special report on ingested inorganic arsenic: Skin cancer; nutritional essentiality. EPA/625/3–87/013. US Environmental Protection Agency, Washington, DC Fuchs G, Boll M, Heider J (2011) Microbial degradation of aromatic compounds—from one strategy to four. Nat Rev 9:803–816 Fuller ME, Scow KM, Lau S, Ferris H (1997) Trichloroethylene (TCE) and toluene effects on the structure and function of the soil community. Soil Biol Biochem 29:75–89 Garbarino JR, Bednar AJ, Rutherford DW, Beyer RS, Wershaw RL (2003) Environmental fate of roxarsone in poultry litter. I. Degradation of roxarsone during composting. Environ Sci Technol 37:1509–1514 Garland J (1997) MiniReview: analysis and interpretation of community-level physiological profiles in microbial ecology. FEMS Microbiol Ecol 24:289–300 Garland J, Mills A (1991) Classification and characterization of heterotrophic microbial communities on the basis of patterns of community-level sole-carbon-source utilization. Appl Environ Microbiol 57:2351–2359 Gomez E, Ferreras L, Toresani S (2006) Soil bacterial functional diversity as influenced by organic amendment application. Bioresour Technol 97:1484–1489 Gupta VK, Mittal A, Krishnan L, Mittal J (2006) Adsorption treatment and recovery of the hazardous dye, Brilliant Blue FCF, over bottom ash and de-oiled soya. J Colloid Interface Sci 293:16–26 Gupta VK, Ali I, Saini VK (2007a) Adsorption studies on the removal of Vertigo Blue 49 and Orange DNA13 from aqueous solutions using carbon slurry developed from a waste material. J Colloid Interface Sci 315:87–93 Gupta VK, Jain R, Varshney S (2007b) Removal of Reactofix golden yellow 3 RFN from aqueous solution using wheat husk—an agricultural waste. J Hazard Mater 142:443–448 Gupta VK, Mittal A, Malviya A, Mittal J (2009) Adsorption of carmoisine A from wastewater using waste materials—bottomash and deoiled soya. J Colloid Interface Sci 335:24–33 Gupta VK, Rastogi A, Nayak A (2010) Biosorption of nickel onto treated alga (Oedogonium hatei): application of isotherm and kinetic models. J Colloid Interface Sci 342:533–539 Gupta VK, Agarwal Sh, Saleh AT (2011) Chromium removal by combining the magnetic properties of iron oxide with adsorption properties of carbon nanotubes. Water Res 45:2207–2212 Gupta VK, Ali I, Saleh T, Nayaka A, Agarwal S (2013) Chemical treatment technologies for waste-water recycling an overview. RSC Adv 2:6380–6388 Hancock TC, Denver JM, Riedel GF, Miller CV (2001) Source, transport, and fate of arsenic in the Pocomoke River Basin, a poultry dominated Chesapeake Bay Watershed. In Proceedings of arsenic in the environment workshop. US Geological Survey. Open-File Report Harch BD, Correll RL, Meech W, Kirkby CA, Pankhurst CE (1997) Using the Gini coefficient with BIOLOG substrate utilization data to provide an alternative quantitative measure for comparing bacterial soil communities. J Microbiol Methods 30:91–101 Jackson BP, Bertsch PM, Cabrera ML, Camberato JJ, Seaman JC, Wood CW (2003) Trace element speciation in poultry litter. J Environ Qual 32:535–540 Jiang Z, Li P, Wang YH, Li B, Wang YX (2013) Effects of roxarsone on the functional diversity of soil microbial community. Int Biodeterior Biodegrad 76:32–35 Jain AK, Gupta VK, Bhatnagar A, Suhas G (2003) A comparative study of adsorbents prepared from industrial wastes for removal of dyes. Sep Sci Technol 38:463–481 Karthikeyan S, Gupta VK, Boopathy R, Titus A, Sekaran G (2012) A new approach for the degradation of aniline by mesoporous activated carbon as a heterogeneous catalyst: kinetic and spectroscopic studies. J Mol Liq 173:153–163 León C, Campos V, Urrutia R, Mondaca M (2012) Metabolic and molecular characterization of bacterial community associated to Patagonian Chilean oligotrophic-lakes of quaternary glacial origin. World J Microbiol Biotechnol 28:1511–1521 Li C, Wang X, Wang G, Wu C, Li N (2011) Genome-wide expression analysis of roxarsone-stimulated growth of broiler chickens (Gallus gallus). Comp Biochem Physiol Part D Genomics Proteomics 6:264–270 Manz W, Amann R, Ludwig W, Schleifer KH (1992) Phylogenetic oligodeoxynucleotide probes for the major subclasses of proteobacteria: problems and solutions. Syst Appl Environ Microbiol 15:593–600 Meier H, Amann R, Ludwig W, Schleifer KH (1999) Specific oligonucleotide probes for in situ detection of a major group of gram-positive bacteria with low DNA G+ C content. Syst Appl Microbiol 22:186–196 Miller K, Savchik J (1979) A new empirical method to calculate average molecular polarizabilities. J Am Chem Soc 101:7206–7213 Mittal A, Gupta VK, Malviya A, Mittal J (2008) Process development for the batch and bulk removal and recovery of a hazardous, water-soluble azo dye (Metanil Yellow) by adsorption over waste materials (Bottom Ash and De-Oiled Soya). J Hazard Mater 151:821–832 Mittal A, Mittal J, Malviya A, Kaur D, Gupta VK (2010) Adsorption of hazardous dye crystal violet from wastewater by waste materials. J Colloid Interface Sci 343:463–473 Muyzer G, Dewaal EC, Uitterlinden AG (1993) Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for rRNA. Appl Environ Microbiol 59:695–700 Nachman KE, Graham JP, Price LB, Silbergeld EK (2005) Arsenic: a roadblock to potential animal waste management solutions. Environ Health Perspect 113:1123–1124 Nachman KE, Baron PA, Raber G, Francesconi KA, Navas-Acien A, Love DC (2013) Roxarsone, inorganic arsenic, and other arsenic species in chicken: a U.S.-based market basket sample. Environ Health Perspect 121:818–824 Shaw LJ, Burns RG (2004) Enhanced mineralization of [U-14C]2,4-Dichlorophenoxyacetic acid in soil from the rhizosphere of Trifolium pretense. Appl Environ Microbiol 70:4766–4774 Simeonova DD, Lièvremont DL, Lagarde F, Muller DA, Groudeva VI, Lett MC (2004) Microplate screening assay for detection of arsenite-oxidizing and arsenate-reducing bacteria. FEMS Microbiol Lett 237:249–253 Stolz JF, Perera E, Kilonzo B, Kail B, Crable B, Fisher E, Ranganathan M, Wormer L, Basu P (2007) Biotransformation of 3-nitro-4-hydroxybenzene arsonic acid (roxarsone) and release of inorganic arsenic by Clostridium species. Environ Sci Technol 41:818–823 Wershaw RL, Garbarino JR, Burkhardt MR (1999) Roxarsone in natural water systems. In: Effects of animal feeding operations on water resources and the environment. US Geological Survey. Open-File Report 00-204, p 95 Zwietering MH, Jongenburger I, Rombouts FM, Van’t Riet K (1990) Modeling of the bacterial growth curve. Appl Environ Microbiol 56:1875–1881