Особенности разложения моногидроксибифенилов аэробными штаммами, изолированными из бактериальных ассоциаций–деструкторов ароматических поллютантов
https://doi.org/10.26907/2542-064X.2024.3.459-475
Аннотация
Штаммы Micrococcus sp. PNS1, Ochrobactrum sp. PNS5, Stenotrophomonas sp. PNS6, Pseudomonas sp. PNB3, Brevibacterium sp. PNB5, Achromobacter sp. PNB6 и Bosea sp. PNB7, выделенные из ассоциаций PN2 и PN2-B, осуществляют разложение моно-гидроксилированных бифенилов, содержащих в качестве заместителя гидрокси-группу у 3 или 4 атома в молекуле бифенила. Максимальная эффективность деструкции 3-гидроксибифенила составляла 98 %, а 4-гидроксибифенила – 100 % у разных штаммов. У всех исследуемых штаммов был амплифицирован фрагмент гена bphA, кодирующего биосинтез бифенил-2,3-диоксигеназы. Показано, что последовательности гена bphA, полученные в настоящем исследовании, формируют самостоятельную ветвь на графической модели, отображающей их уровень сходства с известными последовательностями данного гена. У штамма Pseudomonas sp. PNB3 выявлено наличие гена benA, кодирующего биосинтез бензоат-1,2-диоксигеназы, и располагающегося в одной ветви эволюционного дерева с геном benA известного штамма-деструктора Pseudomonas putida KT2440. Анализ полученных результатов показал, что трансформация 3-гидрокси- и 4-гидроксибифенилов исследуемыми штаммами происходит в результате диоксигенирования незамещенного кольца молекулы бифенила с последующим расщеплением на 3- и 4-гидроксибензойные кислоты соответственно. Таким образом, исследованные штаммы являются перспективными для применения в технологиях разложения не только хлорбифенилов, но и гидроксилированных бифенилов.
Об авторах
Т. Д. КирьяноваРоссия
Кирьянова Татьяна Денисовна, аспирант,
ул. Голева, д. 13, г. Пермь, 614081.
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Д. О. Егорова
Россия
Егорова Дарья Олеговна, доктор биологических наук, доцент, старший научный сотрудник,
ул. Голева, д. 13, г. Пермь, 614081.
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Трегер Ю. СОЗ – стойкие и очень опасные // Chem. J. 2013. № 1–2. P. 30–34.
2. Erickson M.D., Kaley R.G., II Application of polychlorinated biphenyls // Environ. Sci. Pollut. Res. 2011. V. 18, No 2. P. 135–151. https://doi.org/10.1007/s11356-010-0392-1.
3. Zhang P., Ge L., Gao H., Yao T., Fang X., Zhou C., Na G. Distribution and transfer pattern of Polychlorinated Biphenyls (PCBs) among the selected environmental media of Ny-Ålesund, the Arctic: As a case study // Mar. Pollut. Bull. 2014. V. 89, No 1–2. P. 267–275. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2014.09.050.
4. Xu Y., Yu M., Shen A. Complete genome sequence of the polychlorinated biphenyl degrader Rhodococcus sp. WB1 // Genome Announce. 2016. V. 4, No 5. Art. e00996-16. https://doi.org/10.1128/genomea.00996-16.
5. Zhao Q., Bai J., Lu Q., Gao Z., Jia J., Cui B., Liu X. Polychlorinated biphenyls (PCBs) in sediments/soils of different wetlands along 100-year coastal reclamation chronosequence in the Pearl River Estuary, China // Environ. Pollut. 2016. V. 213. P. 860–869. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.03.039.
6. Nam I.-H., Chon C.-M., Jung K.-Y., Kim J.-G. Biodegradation of biphenyl and 2-chlorobiphenyl by a Pseudomonas sp. KM-04 isolated from PCBs-contaminated coal mine soil // Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2014. V. 93, No 1. P. 89–94. https://doi.org/10.1007/s00128-014-1286-6.
7. Serdar B., LeBlanc W.G., Norris J.M., Dickinson L.M. Potential effects of polychlorinated biphenyls (PCBs) and selected organochlorine pesticides (OCPs) on immune cells and blood biochemistry measures: A cross-sectional assessment of the NHANES 2003-2004 data // Environ. Health. 2014. V. 13, No 1. Art. 114. https://doi.org/10.1186/1476-069x-13-114.
8. Hu J., Qian M., Zhang Q., Cui J., Yu C., Su X., Shen C., Hashmi M.Z., Shi J. Sphingobium fuliginis HC3: A novel and robust isolated biphenyl-and polychlorinated biphenylsdegrading bacterium without dead-end intermediates accumulation // PloS One. 2015. V. 10, No 4. Art. e0122740. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0122740.
9. Shuai J., Yu X., Zhang J., Xiong A.-S., Xiong F. Regional analysis of potential polychlorinated biphenyl degrading bacterial strains from China // Braz. J. Microbiol. 2016. V. 47, No 3. P. 536–541. https://doi.org/10.1016/j.bjm.2014.12.001.
10. Murugan K., Vasudevan N. Intracellular toxicity exerted by PCBs and role of VBNC bacterial strains in biodegradation // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. V. 157. P. 40–60. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.03.014.
11. Devi N.L. Persistent organic pollutants (POPs): Environmental risks, toxicological effects, and bioremediation for environmental safety and challenges for future research // Saxena G., Bharagava R. (Eds.) Bioremediation of Industrial Waste for Environmental Safety. V. I: Industrial waste and its management. Singapore: Springer, 2023. Р. 53–76. https://doi.org/10.1007/978-981-13-1891-7_4.
12. Final Act of the Conference of Plenipotentiaries on the Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (Stockholm, 22–23 May 2001) // United Nations Environment Programme. Geneva, 2001. 44 p.
13. Zhu L., Zhou J., Zhang R., Tang X., Wang J., Li Y., Zhang Q., Wang W. Degradation mechanism of biphenyl and 4,4′-dichlorobiphenyl cis-dihydroxylation by non-heme 2,3 dioxygenases BphA: A QM/MM approach // Chemosphere. 2020. V. 247. Art. 125844. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.125844.
14. Negret-Bolagay D., Zamora-Ledezma C., Chuya-Sumba C., De Sousa F.B., Whitehead D., Alexis F., Guerrero V.H. Persistent organic pollutants: The trade-off between potential risks and sustainable remediation methods // J. Environ. Manage. 2021. V. 300. Art. 113737. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113737.
15. Cámara B., Herrera C., González M., Couve E., Hofer B., Seeger M. From PCBs to highly toxic metabolites by the biphenyl pathway // Environ. Microbiol. 2004. V. 6, No 8. P. 842–850. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2004.00630.x.
16. Passatore L., Rossetti S., Juwarkar A.A., Massacci A. Phytoremediation and bioremediation of polychlorinated biphenyls (PCBs): State of knowledge and research perspectives // J. Hazard. Mater. 2014. V. 278. P. 189–202. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.05.051.
17. Tehrani R., Lyv M.M., Kaveh R., Schnoor J.L., Van Aken B. Biodegradation of monohydroxylated PCBs by Burkholderia xenovorans // Biotechnol. Lett. 2012. V. 34, No 12. P. 2247–2252. https://doi.org/10.1007/s10529-012-1037-x.
18. Sun J., Pan L., Zhu L. Formation of hydroxylated and methoxylated polychlorinated biphenyls by Bacillus subtilis: New insights into microbial metabolism // Sci. Total Environ. 2018. V. 613–614. P. 54–61. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.063.
19. Li C., Liu J., Wu N., Pan X., Feng J., Al-Basher G., Allam A.A., Qu R., Wang Z. Photochemical formation of hydroxylated polychlorinated biphenyls (OH-PCBs) from decachlorobiphenyl (PCB-209) on solids/air interface // J. Hazard. Mater. 2019. V. 378. Art. 120758. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120758.
20. Macková M., Vrchotová B., Francová K., Sylvestre M., Tomaniová M., Lovecká P., Demnerová K., Macek T. Biotransformation of PCBs by plant and bacteria – consequences of plant-microbe interactions // Eur. J. Soil Biol. 2007. V. 43, No 4. P. 233–241. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2007.02.006.
21. Moody J., Doerge D., Freeman J., Cerniglia C. Degradation of biphenyl by Mycobacte- rium sp. strain PYP-1 // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002. V. 58, No 3. P. 364–369. https://doi.org/10.1007/s00253-001-0878-3.
22. Yoo M., Kim D., Zylstra G.J., Kang B.S., Kim E. Biphenyl hydroxylation enhanced by an engineered o-xylene dioxygenase from Rhodococcus sp. strain DK17 // Res. Microbiol. 2011. V. 162, No 7. P. 724–728. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2011.04.013.
23. Kanteev M., Bregman-Cohen A., Deri B., Shahar A., Adir N., Fishman A. A crystal structure of 2-hydroxybiphenyl 3-monooxygenase with bound substrate provides insights into the enzymatic mechanism // Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics. 2015. V. 1854, No 12. P. 1906–1913. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2015.08.002.
24. Suman J., Sredlova K., Fraraccio S., Jerabkova M., Strejcek M., Kabickova H., Cajthaml T., Uhlik O. Transformation of hydroxylated polychlorinated biphenyls by bacterial 2-hydroxybiphenyl 3-monooxygenase // Chemosphere. 2024. V. 349. Art. 140909. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.140909.
25. Bordoloi N.K., Rai S.K., Chaudhuri M.K., Mukherjee A.K. Deep-desulfurization of dibenzothiophene and its derivatives present in diesel oil by a newly isolated bacterium Achromobacter sp. to reduce the environmental pollution from fossil fuel combustion // Fuel Process. Technol. 2014. V. 119. P. 236–244. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2013.10.014.
26. Sun J., Zhu L., Pan L., Wei Z., Song Y., Zhang Y., Qu L., Zhan Y. Detection of methoxylated and hydroxylated polychlorinated biphenyls in sewage sludge in China with evidence for their microbial transformation // Sci. Rep. 2016. V. 6, No 1. Art. 29782. https://doi.org/10.1038/srep29782.
27. Sondossi M., Sylvestre M., Ahmad D., Massé R. Metabolism of hydroxybiphenyl and chloro-hydroxybiphenyl by biphenyl/chlorobiphenyl degrading Pseudomonas testosteroni, strain B-356 // J. Ind. Microbiol. 1991. V. 7, No 2. P. 77–88. https://doi.org/10.1007/BF01576069.
28. Yamada T., Shimomura Y., Hiraoka Y., Kimbara K. Oxidative stress by biphenyl metabolites induces inhibition of bacterial cell separation // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006. V. 73, No 2. P. 452–457. https://doi.org/10.1007/s00253-006-0472-9.
29. Bhalla R., Tehrani R., Van Aken B. Toxicity of hydroxylated polychlorinated biphenyls (HO-PCBs) using the bioluminescent assay Microtox® // Ecotoxicology. 2016. V. 25, No 7. P. 1438–1444. https://doi.org/10.1007/s10646-016-1693-z.
30. Egorova D., Kyr’yanova T., Pyankova A., Anan’ina L., Plotnikova E. Selective pressure of biphenyl/polychlorinated biphenyls on the formation of aerobic bacterial associations and their biodegradative potential // Folia Microbiol. 2021. V. 66, No 4. P. 659–676. https://doi.org/10.1007/s12223-021-00873-1.
31. Hernandez B.S., Koh S.-C., Chial M., Focht D.D. Terpene-utilizing isolates and their relevance to enhanced biotransformation of polychlorinated biphenyls in soil // Biodegradation. 1997. V. 8, No 3. P. 153–158. https://doi.org/10.1023/A:1008255218432.
32. Baggi G., Bernasconi S., Zangrossi M., Cavalca L., Andreoni V. Co-metabolism of di- and trichlorobenzoates in a 2-chlorobenzoate-degrading bacterial culture: Effect of the position and number of halo-substituents // Int. Biodeterior. Biodegrad. 2008. V. 62, No 1. P. 57–64. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2007.12.002.
33. Baldwin B.R., Nakatsu C.H., Nies L. Detection and enumeration of aromatic oxygenase genes by multiplex and real-time PCR // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V. 69, No 6. P. 3350–3358. https://doi.org/10.1128/AEM.69.6.3350-3358.2003.
34. Егорова Д.О., Пьянкова А.А. Скрининг гена альфа-субъединицы бензоат диоксигеназы в бактериальных ассоциациях, полученных в результате селекции на (хлор)ароматических соединениях // Вестник Пермского Университета. Сер. Биология. 2019. Вып. 4. С. 464–470. https://doi.org/10.17072/1994-9952-2019-4-464-470.
35. Francova K., Macková M., Macek T., Sylvestre M. Ability of bacterial biphenyl dioxygenases from Burkholderia sp. LB400 and Comamonas testosterone B-356 to catalyze oxygenation of ortho-hydroxychlorobiphenyls formed from PCBs by plants // Environ. Pollut. 2004. V. 127, No 1. P. 41–48. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(03)00257-4.
36. van Duuren J.B.J.H., Wijte D., Leprince A., Karge B., Puchałka J., Wery J., Martins dos Santos V.A.P., Eggink G., Mars A.E. Generation of a catR deficient mutant of P. putida KT2440 that produces cis,cis-muconate from benzoate at high rate and yield // J. Biotechnol. 2011. V. 156, No 3. P. 163–172. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2011.08.030.
37. Kahlon R.S. (Ed.) Pseudomonas: Molecular and Applied Biology. Springer Int. Publ., 2016. 519 p. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-31198-2.
Рецензия
Для цитирования:
Кирьянова Т.Д., Егорова Д.О. Особенности разложения моногидроксибифенилов аэробными штаммами, изолированными из бактериальных ассоциаций–деструкторов ароматических поллютантов. Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. 2024;166(3):459-475. https://doi.org/10.26907/2542-064X.2024.3.459-475
For citation:
Kir’yanova T.D., Egorova D.O. Degradation of Mono-Hydroxybiphenyls by Aerobic Strains Isolated from the Bacterial Associations Breaking Down Aromatic Pollutants. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta Seriya Estestvennye Nauki. 2024;166(3):459-475. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2542-064X.2024.3.459-475