Споровая нагрузка пастерии
 | Вы можете помочь дополнить эту статью текстом, переведенным из соответствующей статьи на немецком языке . (Май 2016 г.) Нажмите [показать], чтобы просмотреть важные инструкции по переводу. |
| Споровая нагрузка пастерии | |
|---|---|
Научная классификация 
| |
| Домен: | Бактерии |
| Тип: | Бациллота |
| Сорт: | Бациллы |
| Заказ: | Кариофаналес |
| Семья: | Кариофановые |
| Род: | Споросарцина |
| Разновидность: | С. пастерии
|
| Биномиальное имя | |
| Споровая нагрузка пастерии Бергей 2004 г.
| |
| Синонимы [1] | |
| |
Sporosarcina Pasteurii, ранее известная как Bacillus Pasteurii из более старых таксономий , представляет собой грамположительную бактерию , способную осаждать кальцит и затвердевать песок при наличии источника кальция и мочевины ; посредством процесса микробиологически индуцированного осаждения кальцита (MICP) или биологической цементации . [2] S. Pasteurii было предложено использовать в качестве экологически чистого биологического строительного материала. Исследователи изучали бактерии в сочетании с пластиком и твердыми минералами; образуя материал, более прочный, чем кость. [3] Его часто используют при MICP, поскольку он непатогенен и способен вырабатывать большое количество фермента уреазы , который гидролизует мочевину до карбоната и аммиака . [4]
Физиология
[ редактировать ]S. Pasteurii — грамположительная бактерия, имеющая по своей природе палочковидную форму. Он обладает способностью образовывать эндоспоры в подходящих условиях окружающей среды, что повышает его выживаемость, что является характеристикой его бацилл . класса [5] Он имеет размеры от 0,5 до 1,2 микрон в ширину и от 1,3 до 4,0 микрон в длину. Поскольку он является алкафилом , он хорошо себя чувствует в основных средах с pH 9–10. Он может выдерживать относительно суровые условия при pH до 11,2. [4]
Метаболизм и рост
[ редактировать ]S. Pasteurii - это почвенные факультативные анаэробы , гетеротрофные и для роста требующие мочевины и аммония. [6] Аммоний используется для того, чтобы позволить субстратам проникать через клеточную мембрану в клетку. [6] Мочевина используется в качестве источника азота и углерода для бактерий. S. Pasteurii способны вызывать гидролиз мочевины и использовать ее в качестве источника энергии, производя и секретируя фермент уреазу . Фермент гидролизует мочевину с образованием карбоната и аммиака. Во время этого гидролиза происходит еще несколько спонтанных реакций. Карбамат гидролизуется до угольной кислоты и аммиака, а затем далее гидролизуется до аммония и бикарбоната . [4] Этот процесс приводит к увеличению pH реакции на 1–2 pH, что делает среду более щелочной, что способствует созданию условий, в которых процветает эта конкретная бактерия. [7] Поддержание среды с таким pH может оказаться дорогостоящим при крупномасштабном производстве этой бактерии для биоцементации. На скорость роста S. Pasteurii может влиять широкий спектр факторов . Сюда входит определение оптимальной температуры, pH, концентрации мочевины, плотности бактерий, уровня кислорода и т. д. [7] Было обнаружено, что оптимальная температура выращивания составляет 30 °C, но она не зависит от других факторов окружающей среды. [5] Поскольку S. Pasteurii галотолерантны . , они могут расти в присутствии низких концентраций ионов хлорида в водном растворе, достаточно низких, чтобы не ингибировать рост бактериальных клеток [7] Это показывает многообещающие приложения для использования MICP .
S. Pasteurii Описано, что DSM 33 ауксотрофен к L-метионину , L-цистеину , тиамину и никотиновой кислоте . [8]
Геномные свойства
[ редактировать ]Весь геном S. Pasteurii NCTC4822 был секвенирован и зарегистрирован под номером доступа NCBI: NZ_UGYZ01000000 . При длине хромосомы 3,3 Мб она содержит 3036 генов, кодирующих белок , и имеет содержание GC 39,17%. [9] Когда рассчитывается соотношение известных функциональных генов и неизвестных генов, бактерия демонстрирует самые высокие показатели транспорта, метаболизма и транскрипции. Высокая доля этих функций позволяет преобразовывать мочевину в ионы карбоната, что необходимо для процесса биоминерализации . [9] У бактерии есть семь идентифицированных генов, которые также напрямую связаны с активностью и сборкой уреазы, которые можно дополнительно изучить, чтобы дать представление о максимизации производства уреазы для оптимизации использования S. Pasteurii в промышленных целях. [9]
Приложения с MICP
[ редактировать ]S. Pasteurii обладает уникальной способностью гидролизовать мочевину и в результате серии реакций производить карбонат-ионы. Это осуществляется путем секреции обильного количества уреазы через клеточную мембрану . [5] Когда бактерия помещается в среду, богатую кальцитом, отрицательно заряженные ионы карбоната реагируют с положительными ионами металлов, таких как кальций, с образованием осаждения карбоната кальция или биоцемента. [4] Карбонат кальция затем можно использовать в виде осадка или кристаллизовать в виде кальцита для цементирования частиц песка. Таким образом, при помещении в среду хлорида кальция S. Pasteurii способны выжить, поскольку они галотолерантны и алкалофилы. Поскольку бактерии остаются неповрежденными в суровых условиях минерализации , устойчивы и несут отрицательный поверхностный заряд , они служат хорошими центрами зародышеобразования для MICP . [9] Отрицательно заряженная клеточная стенка бактерии обеспечивает место взаимодействия положительно заряженных катионов с образованием минералов . Степень этого взаимодействия зависит от множества факторов, включая характеристики клеточной поверхности, количество пептидогликана , уровень амидирования свободного карбоксила и наличие тейхоевых кислот . [7] S. Pasteurii демонстрирует очень отрицательный поверхностный заряд о чем свидетельствует его крайне отрицательный дзета-потенциал -67 мВ по сравнению с неминерализующими бактериями E. , коли , С. ауреус и Б. subtilis при -28, -26 и -40,8 мВ соответственно. [9] Помимо всех этих преимуществ использования S. Pasteurii для MICP, существуют ограничения, такие как неразвитое инженерное масштабирование, нежелательные побочные продукты, неконтролируемый рост или зависимость от условий роста, таких как концентрация мочевины или кислорода. [9]
Текущие и потенциальные применения
[ редактировать ]
S. Pasteurii используется для улучшения строительных материалов, таких как бетон или раствор. Бетон — один из наиболее часто используемых материалов в мире, но он подвержен образованию трещин, устранение которых может оказаться дорогостоящим. Одним из решений является внедрение этой бактерии в трещины и ее активация с помощью MICP. Минералы образуют и устраняют разрыв экологически безопасным способом. Недостатком является то, что этот метод возможен только для доступных внешних поверхностей. [7]
Другое применение — использование S. Pasteurii для биосамовосстановления бетона, которое включает внедрение бактерии в бетонную матрицу во время подготовки бетона для заживления микротрещин. Преимуществом этого метода является минимальное вмешательство человека, а также получение более прочного бетона с более высокой прочностью на сжатие . [7]
Одним из ограничений использования этой бактерии для биоминерализации является то, что, хотя она и является факультативным анаэробом , в отсутствие кислорода бактерия не способна синтезировать уреазу анаэробно . Недостаток кислорода также предотвращает MICP, поскольку его инициирование в значительной степени зависит от кислорода. Поэтому на удаленных от места закачки участках или на большой глубине вероятность выпадения осадков снижается. [9] Одним из возможных решений является объединение этой бактерии в биоцементе с соединениями, выделяющими кислород (ORC), которые обычно используются для биоремедиации и удаления загрязнителей из почвы. [7] С помощью этой комбинации можно уменьшить недостаток кислорода и оптимизировать MICP для бактерий.
Некоторые конкретные примеры текущих приложений включают в себя:
- Студент-архитектор Магнус Ларссон получил в 2008 году первую премию Holcim Award «Next Generation» в регионе Африка и Ближний Восток за свой проект «Архитектура по борьбе с опустыниванием дюн , Сокото, Нигерия» и проект жилой стены. [10] Ларссонс также представил это предложение на TED . [11]
- Джинджера Крига Дозьера Уникальная биотехнологическая стартап-компания , bioMason, из Роли, Северная Каролина, разработала метод выращивания кирпичей из Sporosarcina Pasteurii и других природных материалов. В 2013 году эта компания выиграла конкурс Cradle to Cradle Innovation Challenge (включавший приз в размере 125 000 долларов США) и лотерею Dutch Postcode Lottery Green Challenge (включавшую приз в размере 500 000 евро). [12]
Другие потенциальные приложения включают в себя:
- Используйте бактерии для уплотнения разжижаемых почв в районах, подверженных землетрясениям .
- Формируем био-кирпичи
- Стабилизировать болота и болота
- Уменьшить процент заселения зданий [6]
- Удалить тяжелые металлы из сточных вод [13]
- используется в качестве барьера для борьбы с сорняками в сельском хозяйстве, как альтернатива гербицидам. [14]
Соображениями по использованию этой бактерии в промышленных целях являются потенциал масштабирования, экономическая целесообразность, долгосрочная жизнеспособность бактерий, адгезионное поведение карбоната кальция и полиморфизм . [7]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Вид: Sporosarcina Pasteurii» . lpsn.dsmz.de. Архивировано из оригинала 17 июня 2024 года . Проверено 17 июня 2024 г.
- ^ Чоу К.В., Айдилек А., Сигрен Э., Могель Т. (ноябрь 2008 г.). «Бактериально-индуцированное осаждение кальцита посредством уреолиза» . Американское общество микробиологии .
- ^ «Производители микробов помогают людям создавать крепкие вещи». Природа . 591 (7849): 180. 4 марта 2021 г. Бибкод : 2021Natur.591R.180. . дои : 10.1038/d41586-021-00565-3 .
- ^ Jump up to: а б с д Хенце Дж., Рэндалл Д.Г. (август 2018 г.). «Микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция при повышенных значениях pH (> 11) с использованием Sporosarcina Pasteurii». Журнал экологической химической инженерии . 6 (4): 5008–5013. doi : 10.1016/j.jece.2018.07.046 . S2CID 105388152 .
- ^ Jump up to: а б с Бхадури С., Дебнат Н., Митра С., Лю Ю., Кумар А. (апрель 2016 г.). «Микробиологически индуцированное осаждение кальцита, опосредованное Sporosarcina Pasteurii» . Журнал визуализированных экспериментов (110). дои : 10.3791/53253 . ПМЦ 4941918 . ПМИД 27167458 .
- ^ Jump up to: а б с «Оптимизация использования бактерий sporosarcina Pasteurii для затвердевания песка» . www.envirobiotechjournals.com . Архивировано из оригинала 17 июня 2024 года . Проверено 4 мая 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Сейфан М., Беренджян А. (ноябрь 2018 г.). «Применение микробно-индуцированного осаждения карбоната кальция при проектировании биосамовосстанавливающегося бетона». Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии . 34 (11): 168. doi : 10.1007/s11274-018-2552-2 . ПМИД 30387067 . S2CID 53295171 .
- ^ Лапьер Ф.М., Шмид С., Эдерер Б., Ихлинг Н., Бюхс Дж., Хубер Р. (декабрь 2020 г.). «Выявление потребностей в питательных веществах, связанных с MICP Sporosarcina Pasteurii DSM33, для улучшения роста в химически определенных и сложных средах» . Научные отчеты . 10 (22448): 22448. Бибкод : 2020NatSR..1022448L . дои : 10.1038/s41598-020-79904-9 . ПМЦ 7775470 . ПМИД 33384450 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ма Л, Панг А.П., Луо Й, Лу Х, Линь Ф (январь 2020 г.). «Благоприятные факторы для биоминерализации уреолитическими бактериями Sporosarcina Pasteurii» . Заводы по производству микробных клеток . 19 (1): 12. дои : 10.1186/s12934-020-1281-z . ПМК 6979283 . ПМИД 31973723 .
- ^ Holcim Awards 2008, Африка, Ближний Восток, «Следующее поколение», 1-й приз: Архитектура по борьбе с опустыниванием дюн, Сокото, Нигерия , награды Holcim. Проверено 20 февраля 2010 г.
- ↑ Магнус Ларссон: архитектор дюн. Архивировано 18 июля 2010 года в Wayback Machine , TED.com. Проверено 20 февраля 2010 г.
- ^ биоМейсон @Green Challenge
- ^ Торрес-Аравена, Альваро Эстебан; Дуарте-Насс, Карла; Шугар, Лаура; Мелла-Эррера, Родриго; Ривас, Мариэлла; Джейсон, Дэвид (ноябрь 2018 г.). «Может ли микробиологически индуцированное осаждение кальцита (MICP) уреолитическим путем успешно применяться для удаления тяжелых металлов из сточных вод?» . Кристаллы . 8 (11): 438. дои : 10.3390/cryst8110438 .
- ^ [1] Архивировано 17 июня 2024 г. в патенте Wayback Machine WO2019141880A1 «Предотвращение или уменьшение роста растений путем биоцементации».
Внешние ссылки
[ редактировать ]- </ref> Магнус Ларссон: Превращение дюн в архитектуру – доклад Ларссона на TED.
- «Типовой штамм Sporosarcina Pasteurii в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию» . Архивировано из оригинала 17 июня 2024 года . Проверено 15 сентября 2016 г.