Использование сульфатредуцирующих бактерий в биоремедиации от тяжелых металлов и металлоидов (обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, металлоидами и радионуклидами представляет собой проблему мирового значения, в значительной степени влияющую на состояние биосферы. В частности, соединения хрома обладают токсичным, мутагенным и канцерогенным действием. Основной принцип очистки антропогенных и природных экосистем от хроматов – восстановление Cr(VI) до Cr(III), соли которого существенно менее токсичные и нерастворимые. Однако используемые в настоящее время электрохимические и ионообменные методы очистки достаточно дороги и требуют применения специальных реагентов. В то же время, особый интерес для биоремедиации представляют сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), поскольку многие из них весьма устойчивы к высоким концентрациям тяжелых металлов и способны эффективно восстанавливать их в присутствии водорода как донора электронов. В обзоре суммированы сведения о взаимодействии тяжелых металлов, металлоидов и радионуклидов с клетками СРБ. Рассматриваются особенности метаболизма этих микроорганизмов, приводящие к внутриклеточной аккумуляции тяжелых металлов и металлоидов, сложные и тонко регулируемые ферментативные механизмы восстановления токсичных металлов (с использованием различных цитохромов, гидрогеназ, оксидоредуктаз, узкоспецифичных металлредуктаз и тиоредоксин/тиоредоксинредуктазных систем), а также возможность применения иммобилизованных клеток и биопленок СРБ в эффективной биоремедиации природных вод, почв и промышленных стоков.

Об авторах

А. Л. Брюханов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: tanya_khijniak@mail.ru
Россия, 119234, Москва

Т. В. Хижняк

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского, Федеральный исследовательский центр
“Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: tanya_khijniak@mail.ru
Россия, 119071, Москва

Список литературы

  1. Lovley D.R. // Ann. Rev. Microbiol. 1993. V. 47. P. 263–290.
  2. Michel C., Brugna M., Aubert C., Bernadac A., Bruschi M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001. V. 55. № 1. P. 95–100.
  3. Goulhen F., Gloter A., Guyot F., Bruschi M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006. V. 71. № 6. P. 892–897.
  4. Li X., Fan M., Liu L., Chang J., Zhang J. // Water Sci. Technol. 2019. V. 80. № 12. P. 2362–2372.
  5. Muyzer G., Stams A.J.M. // Nat. Rev. Microbiol. 2008. V. 6. № 6. P. 441–454.
  6. Ravenschlag K., Sahm K., Knoblauch C., Jørgensen B.B., Amann R. // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66. P. 3592–3602.
  7. Jørgensen B.B., Findlay A.J., Pellerin A. // Front Microbiol. 2019. V. 10. article 849. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00849
  8. Minz D., Flax J.L., Green S.J., Muyzer G., Cohen Y., Wagner M., Rittmann B.E., Stahl D.A. // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V. 65. № 10. P. 4666–4671.
  9. Korneeva V.A., Pimenov N.V., Krek A.V., Tourova T.P., Bryukhanov A.L. // Microbiology. 2015. V. 84. № 2. P. 297–306.
  10. Ramsing N.B., Kühl M., Jørgensen B.B. // Appl. Environ. Microbiol. 1993. V. 59. № 11. P. 3840–3849.
  11. Dopson M., Johnson D.B. // Environ Microbiol. 2012. V. 14. № 10. P. 2620–2631.
  12. Sorokin D.Y., Cherhyh N.A. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2017. V. 67. № 2. P. 396–401.
  13. Jeanthon C., L’Haridon S., Cueff V., Banta A., Reysenbach A.L., Prieur D. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2002. V. 52. № 3. P. 765–772.
  14. Brioukhanov A., Pieulle L., Dolla A. // Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology. V. 2. / Ed. A. Mendez-Vilas. Badajoz, Formatex Research Center, 2010. P. 148–159.
  15. Li X., Krumholz L.R. // J. Bacteriol. 2009. V. 191. № 15. P. 4924–4933.
  16. Bradl H.B. Heavy Metals in the Environment: Origin, Interaction and Remediation. London, Elsevier / Academic Press, 2005. 269 p.
  17. Herawati N., Suzuki S., Hayashi K., Rivai I.F., Koyoma H. // Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2000. V. 64. № 1. P. 33–39.
  18. Tokar E.J., Boyd W.A., Freedman J.H., Waalkes M.P. Toxic Effects of Metals. / Casarett and Doull’s Toxicology: The Basic Science of Poisons 8th Ed. / Ed. C.D. Klaassen. N.Y., McGraw Hill, 2013. P. 981–1030.
  19. Nriagu J.O., Pacyna J.M. // Nature. 1988. V. 333. № 6169. P. 134–139.
  20. Nriagu J.O. // Nature. 1989. V. 338. № 6210. P. 47–49
  21. Tchounwou P.B., Yedjou C.G., Patlolla A.K., Sutton D.J. // Exp. Suppl. 2012. V. 101. P. 133–164.
  22. Kaczynski S.E., Kieber R.J. // Environ. Sci. Technol. 1993. V. 27. № 8. P. 1572–1576.
  23. Richard F.C., Bourg A.C.M. // Water Res. 1991. V. 25. № 7. P. 807–816.
  24. Wang Y., Su H., Gu Y., Song X., Zhao J. // Onco. Targets Ther. 2017. V. 10. P. 4065–4079.
  25. Sharma D.C., Chatterjee C., Sharma C.P. // Plant Sci. 1995. V. 111. № 2. P. 145–151.
  26. Venitt S., Levy L.S. // Nature. 1974. V. 250. № 5466. P. 493–495.
  27. Chandra P., Sinha S., Rai U.N. In: Phytoremediation of Soil and Water Contaminants. / Eds. E.L. Kruger, T.A. Anderson, J.R. Coats. ACS Symposium Series № 664. Washington DC, American Chemical Society, 1997. P. 274–282.
  28. Kotaś J., Stasicka Z. // Environ. Pollut. 2000. V. 107. № 3. P. 263–283.
  29. Stein K., Schwedt G. // Fresenius’ J. Anal. Chem. 1994. V. 350. P. 38–43.
  30. Bernhoft R.A. // ScientificWorldJournal. 2013. ID 394652. https://doi.org/10.1155/2013/394652
  31. Wedepohl K.H. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1995. V. 59. № 7. P. 1217–1232.
  32. Nordberg G.F., Nogawa K., Nordberg M., Friberg L. Cadmium / Handbook on the Toxicology of Metals. / Eds. G.F. Nordberg, B.F. Fowler, M. Nordberg, L. Friberg. Amsterdam, Elsevier, 2007. P. 445–486.
  33. Jiang W., Fan W. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008. V. 1140. P. 446–454.
  34. Stoeppler M. Arsenic / Elements and Their Compounds in the Environment: Occurrence, Analysis, and Biological Relevance. 2nd Ed. / Eds. E. Merian, M. Anke, M. Inhat, M. Stoeppler. Weinheim, Wiley-VCH, 2004. P. 1321–1364.
  35. Rüde T.R. Beiträge zur Geochemie des Arsens. / Karlsruher Geochemische Hefte: Schriftenreihe des Instituts für Petrographie und Geochemie. 1996. V. 10. P. 206–210.
  36. Smedley P.L., Kinniburgh D.G. // Appl. Geochem. 2002. V. 17. № 5. P. 517–568
  37. Sadler R., Olszowy H., Shaw G., Biltoft R., Connell D. // Water Air Soil Pollut. 1994. V. 78. № 1. P. 189–198.
  38. Chappell W., Beck B., Brown K., Chaney R., Cothern C., Irgolic K., North D., Thornton I., Tsongas T. // Environ. Health Perspect. 1997. V. 105. № 10. P. 1060–1067.
  39. Bissen M., Frimmel F.H. // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 2003. V. 3l. № 1. P. 9–l8.
  40. Tchounwou P.B., Patlolla A.K., Centeno J.A. // Toxicol. Pathol. 2003. V. 31. № 6. P. 575–588.
  41. Hughes M.F. // Toxicol. Lett. 2002. V. 133. № 1. P. 1–16.
  42. McNeal J.M., Balistrieri L.S. Geochemistry and Occurrence of Selenium: an Overview. In: Selenium in Agriculture and the Environment. V. 23. / Ed. L.W. Jacobs. Soil Science Society of America, 1989. P. 1–13.
  43. Lakin H.W. // Geol. Soc. Am. Bull. 1973. V. 83. № 1. P. 181–190.
  44. Emsley J. Uranium / Nature’s Building Blocks: An A to Z Guide to the Elements. / Ed. J. Emsley. Oxford, Oxford University Press, 2001. P. 476–482.
  45. Arfsten D.P., Still K.R., Ritchie G.D. // Toxicol. Ind. Health. 2001. V. 17. № 5–10. P. 180–191.
  46. Macaskie L.E. // Crit. Rev. Biotechnol. 1991. V. 11. № 1. P. 41–112.
  47. Cataldo D.A., Garland T.R., Wildung R.E., Fellows R.J. // Health Phys. 1989. V. 57. № 2. P. 281–288.
  48. Гвоздяк П.И., Могилевич Н.Ф., Рыльский А.Ф., Грищенко Н.И. // Микробиология. 1986. Т. 55. № 6. С. 962–965.
  49. Yamamoto K., Kato J., Yano T., Ohtake H. // Biotechnol. Bioeng. 1993. V. 41. № 1. P. 129–133.
  50. Hardoyo J.K., Ohtake H. // J. Gen. Appl. Microbiol. 1991. V. 37. P. 519–522.
  51. Lovley D.R., Phillips E.J.P. // Appl. Environ. Microbiol. 1992. V. 58. № 3. P. 850–856.
  52. Coleman M.L., Hedrick D.B., Lovley D.R., White D.C., Pye K. // Nature. 1993. V. 361. P. 436–438.
  53. Lovley D.R., Phillips E.J.P. // Appl. Environ. Microbiol. 1994. V. 60. № 2. P. 726–728.
  54. Assfalg M., Bertini I., Bruschi M., Michel C., Turano P. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. № 15. P. 9750–9754.
  55. Chardin B., Giudici-Orticoni M.T., De Luca G., Guigliarelli B., Bruschi M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003. V. 63. № 3. P. 315–321.
  56. Macy J.M., Santini J.M., Pauling B.V., O’Neill A.H., Sly L.I. // Arch. Microbiol. 2000. V. 173. № 1. P. 49–57.
  57. Mabbett A.N., Lloyd J.R., Macaskie L.E. // Biotechnol. Bioeng. 2002. V. 79. № 4. P. 389–397.
  58. Chardin B., Dolla A., Chaspoul F., Fardeau M.L., Gallice P., Bruschi M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002. V. 60. № 3. P. 352–360.
  59. Cypionka H. // Annu. Rev. Microbiol. 2000. V. 54. P. 827–848.
  60. Franco L.C., Steinbeisser S., Zane G.M., Wall J.D., Fields M.W. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 102. № 6. P. 2839–2850.
  61. Gu W., Zheng D., Li D., Wei C., Wang X., Yang Q., Tian C., Cui M. // Chemosphere. 2021. V. 279. Article 130437. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130437
  62. Ohtake H., Cervantes C., Silver S. // J. Bacteriol. 1987. V. 169. № 8. P. 3853–3856.
  63. Smith W.L., Gadd G.M. // J. Appl. Microbiol. 2000. V. 88. № 6. P. 983–991.
  64. Battaglia-Brunet F., Foucher S., Denamur A., Ignatiadis I., Michel C., Morin D. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2002. V. 28. № 3. P. 154–159.
  65. Kim I.H., Choi J.-H., Joo J.O., Kim Y.-K., Choi J.-W., Oh B.-K. // J Microbiol. Biotechnol. 2015. V. 25. № 9. P. 1542–1546.
  66. Lin W-H., Chen C.-C., Ou J.-H., Sheu Y.-T., Hou D., Kao C.-M. // Chemosphere. 2022. V. 295. Article 133877.
  67. Cheung K.H., Gu J.D. // Chemosphere. 2003. V. 52. № 9. P. 1523–1529.
  68. Singh R., Kumar A., Kirrolia A., Kumar R., Yadav N., Bishnoi N.R., Lohchab R.K. // Bioresour. Technol. 2011. V. 102. № 2. P. 677–682.
  69. Qian J., Wei L., Liu R., Jiang F., Hao X., Chen G.-H. // Sci. Rep. 2016. V. 6. Article 23694. doi.org/https://doi.org/10.1038/srep23694
  70. Li X., Fan M., Ling Liu L., Jinghua Chang J., Jiawen Zhang J. // Water Sci. Technol. 2019. V. 80. № 12. P. 2362–2372.
  71. Humphries A.C., Mikheenko I.P., Macaskie L.E. // Biotechnol. Bioeng. 2006. V. 94. № 1. P. 81–90.
  72. Naz N., Young H.K., Ahmed N., Gadd G.M. // Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71. № 8. P. 4610–4618.
  73. Jiang Y., Zhang J., Wen Q., Zheng J., Zhang Y., Wei Q., Qin Y., Zhang X. // Biodegradation. 2022. V. 33. № 3. P. 239–253.
  74. Gonçalves M.M., de Oliveira Mello L.A., da Costa A.C. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2008. V. 147 № 1–3. P. 97–105.
  75. Newman D.K., Beveridge T.J., Morel F.M.M. // Appl. Environ. Microbiol. 1997. V. 63. № 5. P. 2022–2028.
  76. Newman D.K., Kennedy E.K., Coates J.D., Ahmann D., Ellis D.J., Lovley D.R., Morel F.M. // Arch. Microbiol. 1997. V. 168. № 5. P. 380–388.
  77. Upadhyaya G., Clancy T.M., Brown J., Hayes K.F., Raskin L. // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. № 21. P. 11702–11709.
  78. Le Pape P., Battaglia–Brunet F., Parmentier M., Joulian C., Gassaud C., Fernandez-Rojo L., Guigner J.-M., Ikogou M., Stetten L., Olivi L., Casiot C., Morin G. // J. Hazard. Mater. 2017. V. 321. P. 764–772.
  79. Sun J., Hong Y., Guo J., Yang J., Huang D., Lin Z., Jiang F. // Water Res. 2019. V. 151. P. 362–370.
  80. Gao J., Zheng T., Deng Y., Jiang H. // Sci. Total Environ. 2021. V. 768. Article 144709.
  81. Taylor B., Oremland R. // Curr. Microbiol. 1979. V. 3. P. 101–103.
  82. Newport P.J., Nedwell D.B. // J. Appl. Bacteriol. 1988. V. 65. № 5. P. 419–423.
  83. Valente F.M., Almeida C.C., Pacheco I., Carita J., Saraiva L.M., Pereira I.A. // J. Bacteriol. 2006. V. 188. № 9. P. 3228–3235.
  84. Hockin S.L., Gadd G.M. // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V. 69. № 12. P. 7063–7072.
  85. Hockin S.L., Gadd G.M. // Environ. Microbiol. 2006. V. 8. № 5. P. 816–826.
  86. Michalke K., Wickenheiser E.B., Mehring M., Hirner A.V., Hensel R. // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66. № 7. P. 2791–2796.
  87. Lenz M., Van Hullebusch E.D., Hommes G., Corvini P.F., Lens P.N. // Water Res. 2008. V. 42. № 8-9. P. 2184–2194.
  88. Lovley D.R., Widman P.K., Woodward J.C., Phillips E.J.P. // Appl. Environ. Microbiol. 1993. V. 59. № 11. P. 3572–3576.
  89. Lloyd J.R., Nolting H.F., Solé V.A., Bosecker K. // Geomicrobiol. J. 1998. V. 15. № 1. P. 45–58.
  90. Lloyd J.R., Ridley J., Khizniak T., Lyalikova N.N., Macaskie L.E. // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V. 65. № 6. P. 2691–2696.
  91. Lloyd J.R., Thomas G.H., Finlay J.A., Cole J.A., Macaskie L.E. // Biotechnol. Bioeng. 1999. V. 66. № 2. P. 122–130.
  92. De Luca G., de Philip P., Dermoun Z., Rousset M., Verméglio A. // Appl. Environ. Microbiol. 2001. V. 67. № 10. P. 4583–4587.
  93. Mohagheghi A., Updegraff D.M, Goldhaber M.B. // Geomicrobiol. J. 1985. V. 4. № 2. P. 153–173.
  94. Lovley D.R., Phillips E.J.P, Gorby Y.A., Landa E.R. // Nature. 1991. V. 350. P. 413–416.
  95. Tucker M.D., Barton L.L., Thomson B.M. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1998. V. 20. № 1. P. 13–19.
  96. Zhou C., Vannela R., Hyun S.P., Hayes K.F., E Rittmann B.E. // Environ. Sci. Technol. 2014. V. 48. № 12. P. 6928–6937.
  97. Elias D.A., Suflita J.M., McInerney M.J., Krumholz L.R. // Appl. Environ. Microbiol. 2004. V. 70. № 1. P. 413–420.
  98. Lovley D.R., Phillips E.J.P. // Environ. Sci. Technol. 1992. V. 26. № 11. P. 2228–2234.
  99. Tucker M.D., Barton L.L., Thomson B.M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1996. V. 46. P. 74–77.
  100. Pietzsch K., Hard B.C., Babel W.A. // J. Basic Microbiol. 1999. V. 39. P. 365–372.
  101. Tebo B.M., Obraztsova A.Y. // FEMS Microbiol. Lett. 1998. V. 162. № 1. P. 193–198.
  102. Park H.S., Lin S., Voordouw G. // Antonie Van Leeuwenhoek. 2008. V. 93. № 1–2. P. 79–85.
  103. Junier P., Junier T., Podell S., Sims D.R., Detter J.C., Lykidis A., Han C.S., Wigginton N.S., Gaasterland T., Bernier-Latmani R. // Environ. Microbiol. 2010. V. 12. № 10. P. 2738–2754.
  104. Townsend L.T., Kuippers G., Lloyd J.R., Natrajan L.S., Boothman C., Mosselmans J.F.W., Shaw S., Morris K. // ACS Earth Space Chem. 2021. V. 5. № 11. P. 3075–3086.
  105. Payne R.B., Gentry D.M., Rapp-Giles B.J., Casalot L., Wall J.D. // Appl. Environ. Microbiol. 2002. V. 68. № 6. P. 3129–3132.
  106. Holmgren A. // Ann. Rev. Biochem. 1985. V. 54. P. 237–271.
  107. Pieulle L., Stocker P., Vinay M., Nouailler M., Vita N., Brasseur G., Garcin E., Sebban-Kreuzer C., Dolla A. // J. Biol. Chem. 2011. V. 286. № 10. P. 7812–7821.
  108. Garcin E.B., Bornet O., Elantak L., Vita N., Pieulle L., Guerlesquin F., Sebban–Kreuzer C. // J. Biol. Chem. 2012. V. 287. № 3. P. 1688–1697.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (159KB)
Метаданные
3.

Скачать (140KB)
Метаданные
4.

Скачать (79KB)
Метаданные

© А.Л. Брюханов, Т.В. Хижняк, 2023