Эколого-биологические аспекты воздействия наночастиц и токсичных форм металлов на морские и условно-патогенные бактерии

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Исследовано влияние новых материалов, а именно полученных нами биогенных наночастиц селена и теллура, на свойства, определяющие патогенный потенциал типовых бактериальных культур и агрессивность штаммов морского происхождения. Воздействие наночастиц на бактерии сравнивали с действием известных токсикантов в экспериментах по определению особенностей роста и активности ферментов на питательных средах, а также адгезии к эритроцитам человека. Использовали следующие концентрации токсикантов: селенита натрия и теллурита калия – 100 мкг/мл, сульфата меди – 10 мкг/мл, наночастиц селена и теллура – 100 мкг/мл. Установлено, что наночастицы в основном подавляли протеолитическую, липолитическую, амилазную, ДНКазную и гемолитическую активность, тогда как ионы меди – стимулировали. Наночастицы селена угнетали синтез пигмента у Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus. Наночастицы и растворимые формы селена и теллура подавляли адгезию бактерий к эритроцитам человека, а ионы меди стимулировали ее. Оценка возможных экологических рисков появления/применения изученных токсикантов в морской среде проведена на модели Artemia salina. Анализ наночастиц селена и теллура позволил классифицировать их как нетоксичные соединения, а селенит натрия, теллурит калия и сульфат меди – как токсичные.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Беленева

Национальный научный центр морской биологии им. А.В. Жирмунского (ННЦМБ) ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: beleneva.vl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9515-2522
Россия, Владивосток

У. В. Харченко

Институт химии ДВО РАН

Email: beleneva.vl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5166-5609
Россия, Владивосток

Список литературы

  1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  2. Брилис В.И., Брилене Т.А., Ленцнер Х.П., Ленцнер А.А. Методика изучения адгезивного процесса микроорганизмов // Лабораторное дело. 1986. № 4. C. 210–212.
  3. Бузолева Л.С., Богатыренко Е.А., Ким А.В. Влияние тяжелых металлов на факторы патогенности у возбудителей сапрозоонозов // Фундамент. исслед. 2013. № 10, ч. 14. С. 3076–3079.
  4. Ипатова В.И., Дмитриева А.Г., Дрозденко Т.В. Сравнительная токсичность солей и наночастиц серебра для микроводоросли Scenedesmus quadricauda // Токсикол. вестн. 2016. № 2 (137). С. 45–51.
  5. Обухова О.В. Влияние солей меди, цинка и кадмия на рост и уровень биологической агрессивности условно-патогенной микрофлоры // Тр. ВНИРО. 2016. Т. 162. С. 184–189.
  6. Практикум по микробиологии. М.: Академия. 2005.
  7. Справочник по микробиологическим и вирусологическим методам исследования. М.: Медицина. 1982.
  8. Acuña J.J., Jorquera M.A., Barra P.J. et al. Selenobacteria selected from the rhizosphere as a potential tool for Se biofortification of wheat crops // Biol. Fertil. Soils. 2013. V. 49. P. 175–185.
  9. Ali S.G., Ansari M.A., Alzohairy M.A. et al. Effect of biosynthesized ZnO nanoparticles on multi-drug resistant Pseudomonas aeruginosa // Antibiotics. 2020. V. 9. № 5. Art. ID 260. doi: 10.3390/antibiotics9050260
  10. Aljerf L., AlMasri N. A gateway to metal resistance: Bacterial response to heavy metal toxicity in the biological environment // Ann. Adv. Chem. 2018. V. 2. P. 032–044.
  11. Beleneva I.A., Kharchenko U.V., Kukhlevsky A.D. et al. Biogenic synthesis of selenium and tellurium nanoparticles by marine bacteria and their biological activity // World J. Microbiol. Biotechnol. 2022. V. 38. № 11. Art. ID 188. doi: 10.1007/s11274-022-03374-6
  12. Cheng Z., Shi C., Gao X. et al. Biochemical and metabolomic responses of Antarctic bacterium Planococcus sp. O5 induced by copper ion // Toxics. 2022. V. 10. № 6. Art. ID 302. doi: 10.3390/toxics10060302
  13. Cheng M., Liang L., Sun Y. et al. Reduction of selenite and tellurite by a highly metal-tolerant marine bacterium // Int. Microbiol. 2024. V. 27. P. 203–212.
  14. Chua S.L., Sivakumar K., Rybtke M. et al. C-di-GMP regulates Pseudomonas aeruginosa stress response to tellurite during both planktonic and biofilm modes of growth // Sci. Rep. 2015. V. 5. Art. ID 10052. doi: 10.1038/srep10052
  15. Copper Water Quality Guideline for the Protection of Marine and Estuarine Aquatic Life (Reformatted Guideline from 1987), Water Quality Guideline Series, no. WQG-04, Prov. B.C., Victoria B.C.: B.C. Minist. Environ. Climate Change Strategy. 2019.
  16. Dawson R.M.C., Elliot D.C., Elliot W.H., Jones K.M. Data for Biochemical Research, 3rd ed., New York: Oxford Univ. Press. 1986.
  17. Eliseikina M.G., Beleneva I.A., Kukhlevsky A.D. et al. Identification and analysis of the biological activity of the new strain of Pseudoalteromonas piscicida isolated from the hemal fluid of the bivalve Modiolus kurilensis (F.R. Bernard, 1983) // Arch. Microbiol. 2021. V. 203. № 7. P. 4461–4473.
  18. Elshaer S.L., Shaaban M.I. Inhibition of quorum sensing and virulence factors of Pseudomonas aeruginosa by biologically synthesized gold and selenium nanoparticles // Antibiotics. 2021. V. 10. № 12. Art. ID 1461. doi: 10.3390/antibiotics10121461
  19. Escobar-Ramírez M.C., Castañeda-Ovando A., Pérez-Escalante E. et al. Antimicrobial activity of Se-nanoparticles from bacterial biotransformation // Fermentation. 2021. V. 7. Art. ID 130.
  20. doi: 10.3390/fermentation7030130
  21. Forootanfar H., Amirpour-Rostami S., Jafari M. et al. Microbial-assisted synthesis and evaluation the cytotoxic effect of tellurium nanorods // Mater. Sci. Eng. C. 2015. V. 49. P. 183–189.
  22. Frankel M.L., Booth S.C., Turner R.J. How bacteria are affected by toxic metal release // Metal Sustainability: Global Challenges, Consequences, and Prospects, R.M. Izatt, Ed., 1st ed., Hoboken, N.J.: Wiley, 2016.
  23. Gomes T., Araújo O., Pereira R. et al. Genotoxicity of copper oxide and silver nanoparticles in the mussel Mytilus galloprovincialis, Mar. Environ. Res., 2013, vol. 84, pp. 51–59.
  24. Gordon A.S., Howell L.D., Harwood V. Responses of diverse heterotrophic bacteria to elevated copper concentrations // Can. J. Microbiol. 1994. V. 40. № 5. P. 408–411.
  25. Kora A.J., Rastogi L. Biomimetic synthesis of selenium nanoparticles by Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853: An approach for conversion of selenite // J. Environ. Manage. 2016. V. 181. P. 231–236.
  26. Kumar R., Nongkhlaw M., Acharya C., Joshi S.R. Growth media composition and heavy metal tolerance behaviour of bacteria characterized from the sub-surface soil of uranium rich ore bearing site of Domiasiat in Meghalaya // Indian J. Biotechnol. 2013. V. 12. P. 115–119.
  27. Leitão J.H., Sá-Correia I. Effects of growth-inhibitory concentrations of copper on alginate biosynthesis in highly mucoid Pseudomonas aeruginosa // Microbiology. 1997. V. 143. P. 481–488.
  28. Liang X., Zhang S., Gadd G.M. et al. Fungal-derived selenium nanoparticles and their potential applications in electroless silver coatings for preventing pin-tract infections // Regener. Biomater. 2022. V. 9. Art. ID rbac013. doi: 10.1093/rb/rbac013
  29. Lima de Silva A.A., de Carvalho M.A., de Souza S.A. et al. Heavy metal tolerance (Cr, Ag AND Hg) in bacteria isolated from sewage // Braz. J. Microbiol. 2012. V. 43. № 4. P. 1620–1631.
  30. Lin W., Zhang J., Xu J.-F., Pi J. The advancing of selenium nanoparticles against infectious diseases // Front Pharmacol. 2021. V. 12. Art. ID 682284. doi: 10.3389/fphar.2021.682284
  31. Liu G.Y., Nizet V. Color me bad: microbial pigments as virulence factors // Trends Microbiol. 2009. V. 17. № 9. P. 406–413.
  32. Lu Z.H., Solioz M. Copper-induced proteolysis of the CopZ copper chaperone of Enterococcus hirae // J. Biol. Chem. 2001. V. 276. № 51. P. 47822–47827.
  33. Maltman C., Yurkov V. The effect of tellurite on highly resistant freshwater aerobic anoxygenic phototrophs and their strategies for reduction // Microorganisms. 2015. V. 3. № 4. P. 826–838.
  34. Manfra L., Savorelli F., Di Lorenzo B. et al. Intercalibration of ecotoxicity testing protocols with Artemia franciscana // Ecol. Indic. 2015. V. 57. P. 41–47.
  35. Medina-Cruz D., Truong L.B., Sotelo E. et al. Bacterial-mediated selenium nanoparticles as highly selective antimicrobial agents with anticancer properties // RSC Sustainability. 2023. V. 1. P. 1436–1448.
  36. Mu D., Yu X., Xu Z. et al. Physiological and transcriptomic analyses reveal mechanistic insight into the adaption of marine Bacillus subtilis C01 to alumina nanoparticles // Sci. Rep. 2016. V. 6. art. ID 29953. doi: 10.1038/srep29953
  37. Prato E., Fabbrocini A., Libralato G. et al. Comparative toxicity of ionic and nanoparticulate zinc in the species Cymodoce truncata, Gammarus aequicauda and Paracentrotus lividus // Environ. Sci. Pollut. Res. 2021. V. 28. P. 42891–42900.
  38. Preda M., Mihai M.M., Popa L.I. et al. Phenotypic and genotypic virulence features of staphylococcal strains isolated from difficult-to-treat skin and soft tissue infections // PLoS One. 2021. V. 16. № 2. Art. ID e0246478. doi: 10.1371/journal.pone.0246478
  39. Rathgeber C., Yurkova N., Stackebrandt E. et al. Isolation of tellurite- and selenite-resistant bacteria from hydrothermal vents of the Juan de Fuca Ridge in the Pacific Ocean // Appl. Environ. Microbiol. 2002. V. 6. № 9. P. 4613–4622.
  40. Selmani A., Ulm L., Kasemets K. et al. Stability and toxicity of differently coated selenium nanoparticles under model environmental exposure settings // Chemosphere. 2020. V. 250. Art. ID 126265. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.126265
  41. Stachurska X., Środa B., Dubrowska K. et al. Tolerance of environmental bacteria to heavy metals // Acta Sci. Pol. Zootech. 2020. V. 19. № 2. P. 63–74.
  42. Tarrant E., Riboldi G.P., McIlvin M.R. et al. Copper stress in Staphylococcus aureus leads to adaptive changes in central carbon metabolism // Metallomics. 2019. V. 11. № 1. P. 183–200.
  43. Virieux-Petit M., Hammer-Dedet F., Aujoulat F. et al. From copper tolerance to resistance in Pseudomonas aeruginosa towards patho-adaptation and hospital success // Genes. 2022. V. 13. № 2. Art. ID 301. doi: 10.3390/genes13020301
  44. Wu B., Huang R., Sahu M. et al. Bacterial responses to Cu-doped TiO2 nanoparticles // Sci. Total Environ. 2010. V. 408. № 7. P. 1755–1758.
  45. Xia S.K., Chen L., Liang J.Q. Enriched selenium and its effects on growth and biochemical composition in Lactobacillus bulgaricus // J. Agric. Food Chem. 2007. V. 55. № 6. P. 2413–2417.
  46. Yang J., Wang J., Yang K. et al. Antibacterial activity of selenium-enriched lactic acid bacteria against common food-borne pathogens in vitro // J. Dairy Sci. 2018. V. 101. № 3. P. 1930–1942.
  47. Zare B., Faramarzi M.A., Sepehrizadeh Z. et al. Biosynthesis and recovery of rod-shaped tellurium nanoparticles and their bactericidal activities // Mater. Res. Bull. 2012. V. 47. № 11. P. 3719–3725.
  48. Zhang C., Sun R., Xia T. Adaption/resistance to antimicrobial nanoparticles: Will it be a problem? // Nano Today. 2020. V. 34. Art. ID 100909. doi: 10.1016/j.nantod.2020.100909
  49. Zonaro E., Lampis S., Turner R.J. et al. Biogenic selenium and tellurium nanoparticles synthesized by environmental microbial isolates efficaciously inhibit bacterial planktonic cultures and biofilms // Front. Microbiol. 2015. V. 6. Art. ID 584. doi: 10.3389/fmicb.2015.00584

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рост бактериальных культур на питательной среде в присутствии разных токсикантов. Контроль – среда без добавок

Скачать (345KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние токсикантов на продукцию ферментов условно-патогенными бактериями

Скачать (658KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние токсикантов на продукцию ферментов морскими бактериями

Скачать (620KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние токсикантов на пигментообразование Pseudomonas aeruginosa. В первом флаконе рост бактерий на среде без добавок, во втором – с селенитом натрия

Скачать (320KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние добавок на гемолиз эритроцитов Pseudomonas aeruginosa. 1 – контроль без добавок, 2 – наночастицы Se, 3 – наночастицы Te, 4 – селенит натрия, 5 – теллурит калия, 6 – сульфат меди

Скачать (577KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024