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Jun 10, 2023

Lo stress misto da metalli pesanti induce una risposta globale alla carenza di ferro

The ISME Journal volume 17, pagine 382–392 (2023) Cita questo articolo 3078 Accessi 2 Citazioni 54 Dettagli parametrici alternativi La contaminazione multipla da metalli pesanti è un problema globale sempre più comune.

The ISME Journal volume 17, pagine 382–392 (2023)Citare questo articolo

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La contaminazione multipla da metalli pesanti è un problema globale sempre più comune. I metalli pesanti hanno il potenziale di interrompere il ciclo biogeochimico mediato dai microbi. Tuttavia, mancano studi a livello di sistema sugli effetti delle combinazioni di metalli pesanti sui batteri. Per questo studio, ci siamo concentrati sul sottosuolo della riserva di Oak Ridge (ORR; Oak Ridge, TN, USA) che è contaminato da numerosi metalli pesanti e alte concentrazioni di nitrati. Utilizzando un isolato nativo di Bacillus cereus che rappresenta una specie dominante in questo sito, abbiamo valutato l'impatto combinato di otto contaminanti metallici, tutti a concentrazioni rilevanti per il sito, sui processi cellulari attraverso un approccio multi-omico integrato che includeva proteomica di scoperta, metabolomica mirata, e profilazione mirata dell'espressione genica. La combinazione di otto metalli ha influenzato la fisiologia cellulare in un modo che non poteva essere previsto sommando le risposte fenotipiche ai singoli metalli. L’esposizione alla miscela metallica ha suscitato una risposta globale alla carenza di ferro non osservata durante le esposizioni individuali ai metalli. Questa interruzione dell'omeostasi del ferro ha comportato una diminuzione dell'attività del nitrato e della nitrito reduttasi contenenti il ​​cofattore del ferro, entrambi importanti nella rimozione biologica del nitrato nel sito. Proponiamo che gli effetti combinatori dell’esposizione simultanea a più metalli pesanti siano una forma sottovalutata ma significativa di stress cellulare nell’ambiente con il potenziale di interrompere i cicli globali dei nutrienti e di impedire gli sforzi di biorisanamento nei siti di rifiuti misti. Il nostro lavoro sottolinea la necessità di passare dagli studi monometallici a quelli multimetallici per valutare e prevedere gli impatti di contaminanti complessi sui sistemi microbici.

A partire dal 20° secolo, livelli crescenti di contaminazione da metalli pesanti si sono verificati sia negli ambienti acquatici [1, 2] che terrestri [3, 4] a causa dei maggiori input antropici derivanti dall’urbanizzazione, dai processi industriali e dalle attività agricole. Indipendentemente dalla specifica fonte di input, un tema comune che emerge nei siti contaminati è la presenza simultanea di più metalli pesanti a concentrazioni elevate [2, 5,6,7,8]. Una recente meta-analisi di Zhou et al. [2] hanno compilato le concentrazioni di metalli pesanti per i corpi idrici superficiali globali e hanno confrontato questi valori con i limiti stabiliti dall’OMS e dall’EPA statunitense. Dal 1972 al 2017, l’inquinamento da metalli pesanti nelle acque superficiali è passato da singoli metalli a più metalli.

L’inquinamento da metalli pesanti non è solo dannoso per la salute umana [9], animale [10, 11] e vegetale [12], ma interrompe anche il ciclo naturale degli elementi attraverso l’impatto sull’attività microbica. Aponte et al. [13] hanno scoperto che i singoli contaminanti di metalli pesanti diminuivano linearmente le attività degli enzimi microbici chiave del suolo, in particolare quelli coinvolti nel ciclo del carbonio e dello zolfo. Nei sistemi del suolo, i singoli contaminanti di metalli pesanti inibiscono molteplici fasi del percorso di denitrificazione, con conseguente accumulo di intermedi tossici, tra cui nitrito e protossido di azoto, gas serra [14,15,16]. Tuttavia, gli studi che studiano gli impatti delle combinazioni di metalli pesanti rilevanti dal punto di vista ambientale sui microrganismi ambientali sono scarsi. Un unico rapporto di Dey et al. [17] hanno esplorato la risposta proteomica del microrganismo eucariotico Aspergillus fumigatus allo stress multimetallico e hanno suggerito un ruolo per le vie di turnover proteico e le proteine ​​antiossidanti in questa risposta. Tuttavia, questo studio non ha esaminato se questa risposta fosse dovuta a effetti interattivi sinergici o additivi dei metalli nella miscela. Nei sistemi procariotici, gli studi limitati su questa forma di stress si sono concentrati esclusivamente sulla determinazione dei valori IC50 per combinazioni binarie di metalli [18,19,20,21,22,23,24]. Ad esempio, Fulladosa et al. [18] hanno esplorato la tossicità sinergica/antagonista degli accoppiamenti binari di metalli nel Vibrio fisheri determinando i valori IC50 per i singoli metalli e le combinazioni binarie di metalli. Hanno scoperto che gli accoppiamenti Co-Cu e Zn-Pb e le coppie Co-Cd, Cd-Zn, Cd-Pb e Cu-Pb erano sinergici e antagonisti nel loro impatto sulla crescita di V. fisheri, rispettivamente. [18]. Tuttavia, il meccanismo di questi effetti interattivi rimane sconosciuto e l’impatto dell’esposizione multipla a metalli sulla regolazione e sul metabolismo dei geni batterici è ancora inesplorato.