Sporosarcina pasteurii, ранее известная как Bacillus pasteurii из более старых таксономий , является грамположительной бактерией со способностью осаждать кальцит и затвердевать песок при наличииисточника кальция и мочевины ; в процессе микробиологического осаждения кальцита (MICP) или биологической цементации . [1] S. pasteurii предлагается использовать в качестве экологически безопасного биологического строительного материала. Исследователи изучали бактерии в сочетании с пластиком и твердым минералом; образуя материал прочнее кости. [2]Он обычно используется для MICP, поскольку не является патогенным и способен продуцировать большое количество фермента уреазы, который гидролизует мочевину до карбоната и аммиака . [3]
Sporosarcina pasteurii | |
---|---|
Научная классификация | |
Домен: | |
Разделение: | |
Класс: | |
Заказ: | |
Семья: | |
Род: | |
Разновидность: | Sporosarcina pasteurii Бергей 2004 |
Физиология
S. pasteurii - это грамположительная бактерия, имеющая палочковидную форму. Он обладает способностью образовывать эндоспоры в правильных условиях окружающей среды для увеличения своей выживаемости, что является характеристикой этого класса бацилл . [4] Он имеет размеры от 0,5 до 1,2 мкм в ширину и от 1,3 до 4,0 мкм в длину. Поскольку это алкалифил , он хорошо себя чувствует в основных средах с pH 9-10. Он может выдерживать относительно суровые условия до pH 11,2. [3]
Обмен веществ и рост
S. pasteurii - это передающиеся через почву факультативные анаэробы, которые являются гетеротрофными и требуют для роста мочевины и аммония. [5] Аммоний используется, чтобы позволить субстратам проникать через клеточную мембрану в клетку. [5] 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 гидролизуется до аммония и бикарбоната . [3] Этот процесс приводит к увеличению pH реакции на 1-2 pH, делая среду более щелочной, что способствует созданию условий, в которых процветает эта конкретная бактерия. [6] Поддержание среды с таким pH может быть дорогостоящим для крупномасштабного производства. этой бактерии для биоцементации. На скорость роста S. pasteurii может влиять широкий спектр факторов . Это включает определение оптимальной температуры, pH, концентрации мочевины, плотности бактерий, уровня кислорода и т. Д. [6] Было обнаружено, что оптимальная температура выращивания составляет 30 ° C, но это не зависит от других присутствующих факторов окружающей среды. [4] Так как S. pasteurii является галотолерантным , они могут расти в присутствии низких концентраций водных хлоридных ионов , которые являются достаточно низкими , чтобы рост не ингибирует бактериальную клетку. [6] Это показывает перспективные приложения для использования MICP .
С. pasteurii DSM 33 описан как ауксотрофные для L-метионина , L-цистеина , тиамина и никотиновой кислоты . [7]
Геномные свойства
Весь геном из S. pasteurii NCTC4822 секвенировали и отчетность в соответствии с NCBI , инвентарный номер: NZ_UGYZ01000000 . При длине хромосомы 3,3 Мб он содержит 3036 генов, кодирующих белок, и имеет содержание GC 39,17%. [8] Когда рассчитывается соотношение известных функциональных генов к неизвестным генам, бактерия показывает самые высокие отношения для транспорта, метаболизма и транскрипции. Высокая доля этих функций позволяет преобразовывать мочевину в карбонат-ионы, что необходимо для процесса биоминерализации . [8] Бактерия имеет семь идентифицированных генов, которые напрямую связаны с активностью и сборкой уреазы, которые могут быть дополнительно изучены, чтобы дать представление о максимальном производстве уреазы для оптимизации использования S. pasteurii в промышленных приложениях. [8]
Приложения с MICP
S. pasteurii обладают уникальной способностью гидролизовать мочевину и в результате ряда реакций производить ионы карбоната. Это достигается путем выделения большого количества уреазы через клеточную мембрану . [4] Когда бактерия помещается в среду, богатую кальцитом, отрицательно заряженные ионы карбоната реагируют с положительными ионами металлов, такими как кальций, с осаждением карбоната кальция или биоцемента. [3] Карбонат кальция затем может быть использован в виде осадка или может быть кристаллизован в виде кальцита для скрепления частиц песка вместе. Поэтому при помещении в среду хлорида кальция S. pasteurii могут выжить, поскольку они галотолерантны и алкалифилы. Поскольку бактерии остаются нетронутыми в суровых условиях минерализации , являются устойчивыми и несут отрицательный поверхностный заряд , они служат хорошими центрами зародышеобразования для MICP . [8] Отрицательно заряженная клеточная стенка бактерии является местом 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 доступность тейхоевых кислот . [6] S. pasteurii показывает высокий отрицательный поверхностный заряд , который может быть показан в его высоко отрицательном зете - потенциале от -67 мВ по сравнению с не-минерализацией бактерий Е . палочка , S . стафилококк и Б . subtilis при -28, -26 и -40,8 мВ соответственно. [8] Помимо всех этих преимуществ использования S. pasteurii для MICP, существуют ограничения, такие как неразвитое инженерное расширение, нежелательные побочные продукты, неконтролируемый рост или зависимость от условий роста, таких как концентрация мочевины или кислорода. [8]
Текущие и потенциальные приложения
S. pasteurii служат для улучшения строительных материалов, таких как бетон или строительный раствор. Бетон - один из наиболее часто используемых материалов в мире, но он склонен к образованию трещин, ремонт которых может быть дорогостоящим. Одно из решений - внедрить эту бактерию в трещины и сразу же активировать ее с помощью MICP. Минералы будут формировать и устранять зазоры безвредным для окружающей среды способом. Одним из недостатков является то, что этот метод возможен только для доступных внешних поверхностей. [6]
Другое применение S. pasteurii - это биологическое самовосстановление бетона, которое включает внедрение бактерий в матрицу бетона во время подготовки бетона для заживления микротрещин. Это дает преимущество минимального вмешательства человека и дает более прочный бетон с более высокой прочностью на сжатие . [6]
Одним из ограничений использования этой бактерии для биоминерализации является то, что, хотя это факультативный анаэроб , в отсутствие кислорода бактерия не может синтезировать уреазу анаэробно . Недостаток кислорода также предотвращает MICP, поскольку его инициирование в значительной степени зависит от кислорода. Следовательно, на участках, удаленных от места закачки, или на больших глубинах вероятность выпадения осадков снижается. [8] Одно из возможных решений - связать эту бактерию в биоцементе с соединениями, выделяющими кислород (ORC), которые обычно используются для биоремедиации и удаления загрязняющих веществ из почвы. [6] С помощью этой комбинации можно уменьшить нехватку кислорода и оптимизировать MICP для бактерии.
Некоторые конкретные примеры текущих приложений включают:
- Студент-архитектор Магнус Ларссон получил первую премию Holcim Award 2008 «Следующее поколение» для региона Африка Ближний Восток за свой проект « Архитектура дюн против опустынивания , Сокото, Нигерия» и дизайн жилой стены. [9] Ларссонс также представил свое предложение на TED . [10]
- Уникальная биотехнологическая компания Ginger Krieg Dosier, bioMason, в Роли, Северная Каролина, разработала метод выращивания кирпичей из Sporosarcina pasteurii и природных богатых материалов. В 2013 году эта компания выиграла конкурс Cradle to Cradle Innovation Challenge (который включал приз в размере 125 000 долларов) и Dutch Postcode Lottery Green Challenge (который включал приз в размере 500 000 евро). [11]
Другие потенциальные приложения включают:
- Используйте бактерии для уплотнения разжижаемой почвы в районах, подверженных землетрясениям .
- Формируйте биокирпичи
- Стабилизируйте болота и болота
- Уменьшите скорость заселения построек [5]
- Удалите тяжелые металлы из сточных вод [12]
При использовании этой бактерии в промышленных целях необходимо учитывать потенциал масштабирования, экономическую осуществимость, долгосрочную жизнеспособность бактерий, адгезионные свойства карбоната кальция и полиморфизм . [6]
Смотрите также
- Великая зеленая стена (Африка)
Рекомендации
- ^ Chou CW, Aydilek А, Seagren Е, Maugel Т (ноябрь 2008 г.). «Бактериально-индуцированное осаждение кальцита посредством уреолиза» . Американское общество микробиологии .
- ^ «Создатели микробов помогают людям создавать прочные вещи» . Природа . 591 (7849): 180. 2021-03-04. Bibcode : 2021Natur.591R.180. . DOI : 10.1038 / d41586-021-00565-3 .
- ^ а б в г Хенце Дж., Рэндалл Д.Г. (август 2018 г.). «Микробиологически 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 .
- ^ а б в Бхадури С., Дебнатх Н., Митра С., Лю Й., Кумар А. (апрель 2016 г.). «Микробиологически индуцированное осаждение кальцита, опосредованное Sporosarcina pasteurii» . Журнал визуализированных экспериментов (110). DOI : 10.3791 / 53253 . PMC 4941918 . PMID 27167458 .
- ^ а б в «Оптимизация использования бактерий sporosarcina pasteurii для повышения жесткости песка» . www.envirobiotechjournals.com . Проверено 4 мая 2020 .
- ^ Б с д е е г ч Сейфан М., Беренджян А. (ноябрь 2018 г.). «Применение микробиологически индуцированного осаждения карбоната кальция при проектировании самовосстанавливающегося бетона». Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии . 34 (11): 168. DOI : 10.1007 / s11274-018-2552-2 . PMID 30387067 . S2CID 53295171 .
- ^ Lapierre FM, Schmid S, Ederer B, Ihling N, Büchs J, Huber R (декабрь 2020 г.). «Выявление пищевых требований к MICP-релевантной Sporosarcina pasteurii DSM33 для улучшения роста в химически определенных и сложных средах» . Научные отчеты . 10 (22448): 22448. Bibcode : 2020NatSR..1022448L . DOI : 10.1038 / s41598-020-79904-9 . PMC 7775470 . PMID 33384450 .
- ^ Б с д е е г Ма Л., Панг А.П., Ло И, Лу Х, Лин Ф (январь 2020 г.). «Благоприятные факторы биоминерализации уреолитической бактерией Sporosarcina pasteurii» . Фабрики микробных клеток . 19 (1): 12. DOI : 10,1186 / s12934-020-1281-г . PMC 6979283 . PMID 31973723 .
- ^ Holcim Awards 2008 Африка Ближний Восток "Новое поколение" 1-е место: Архитектура против опустынивания Dune, Сокото, Нигерия , Награды Holcim. Проверено 20 февраля 2010 года.
- ↑ Магнус Ларссон: архитектор дюн , TED.com. Проверено 20 февраля 2010 года.
- ^ bioMason @Green Challenge
- ^ Торрес-Аравена, Альваро Эстебан; Дуарте-Насс, Карла; Азокар, Лаура; Мелла-Эррера, Родриго; Ривас, Мариэлла; Джейсон, Дэвид (ноябрь 2018 г.). «Может ли микробиологически индуцированное осаждение кальцита (MICP) через уреолитический путь быть успешно применено для удаления тяжелых металлов из сточных вод?» . Кристаллы . 8 (11): 438. DOI : 10,3390 / cryst8110438 .
Внешние ссылки
- Магнус Ларссон: Превращение дюн в архитектуру - доклад Ларссона на TED.
- Типовой штамм Sporosarcina pasteurii в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию