Комплексный анализ влияния эссенциальных элементов на бактериальные штаммы Bacillus sp. в модельном эксперименте in vitro

Актуальность. В современной литературе представлены многочисленные экспериментальные данные по использованию биоремедиационного потенциала бактериальных штаммов для коррекции моно- и полиметального загрязнения экосистем различного уровня организации. В данной работе проведен системный анализ оценки степени влияния избыточных концентраций цинка, железа и меди на динамические показатели роста, уровень толерантности, сорбционной емкости и антагонистические характеристики штаммов Bacillus sp. в модельных экспериментах in vitro.

Методы. Исследования проводились на кафедре биохимии и микробиологии Оренбургского государственного университета в 2023 году. В качестве объектов исследования использовались музейные образцы пробиотических штаммов Bacillus sp.: B. subtilis 534 («Споробактерин», ООО «Бакорен», Оренбург, Россия), B. cereus IP 5832 («Флонивин БС», Galenika Crna Gora, D.O.O., Черногория), B. licheniformis ВКПМ В 7038 («Ветом 4» ООО НПФ «Исследовательский центр», Новосибирская область, Россия), а также клинические изоляты E. coli и S. aureus. В качестве регулирующих рост факторов моно- и полиметального загрязнения субстрата использовали соли металлов (ЧДА) FeSO₄ × 7H₂O, CuSO₄ × 5H₂O и ZnSO₄ × 7H₂O (АО «ЛенРеактив» Санкт-Петербург, Россия).

Результаты. Полученные данные свидетельствуют о высоких показателях уровня сорбции железа до 47,98 % и цинка до 44,96 % исследуемыми штаммами. Экспериментально установлено негативное влияние массированной катионной нагрузки цинка и меди на антагонистическую активность исследуемых штаммов как в отношении грамположительного (S. aureus) так и грамотрицательного (E. coli) модельного микроорганизма. Железо оказывает стимулирующее действие на антагонистические характеристики B. cereus IP 5832 и B. licheniformis ВКПМ В 7038 в отношении E. coli на 32,63 % (p < 0,01) и 36,77 % (p < 0,05).

1. Malik A. Metal bioremediation through growing cells. Environment International. 2004; 30(2): 261‒278. https://doi.org/10.1016/j.envint.2003.08.001

2. Burmistrov D.E. et al. Bacteriostatic and cytotoxic properties of composite material based on ZnO nanoparticles in PLGA obtained by low temperature method. Polymers. 2022; 14(1): 49. https://doi.org/10.3390/polym14010049.

3. Astashev M.E. et al. Antibacterial behavior of organosilicon composite with nano aluminum oxide without influencing animal cells. Reactive and Functional Polymers. 2022; 170: 105143. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2021.105143.

4. Chausov D.N. et al. Synthesis of a Novel, Biocompatible and Bacteriostatic Borosiloxane Composition with Silver Oxide Nanoparticles. Materials. 2022; 15(2). https://doi.org/10.3390/ma15020527

5. Yang T., Chen M.-L., Wang J.-H. Genetic and chemical modification of cells for selective separation and analysis of heavy metals of biological or environmental significance. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2015; 66: 90‒102. https://doi.org/10.1016/j.trac.2014.11.016

6. Fomina M., Gadd G.M. Biosorption: current perspectives on concept, definition and application. Bioresource Technology. 2014; 160: 3‒14. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.12.102

7. Mosa K.A., Saadoun I., Kumar K., Helmy M., Dhankher O.P. Potential Biotechnological Strategies for the Cleanup of Heavy Metals and Metalloids. Frontiers in Plant Science. 2016; 7: 303. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00303

8. Aronbaev S. Aronbaev D. Biosorption of heavy metal ions by the cell walls of yeast Saccharomyces cerevisiae in their combined presence. E3S Web of Conferences. EDP Sciences. 2023; 458: 02024. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345802024.

9. Gavrilescu M. Removal of Heavy Metals from the Environment by Biosorption. Engineering in Life Sciences. 2004; 4(3): 219–232. https://doi.org/10.1002/elsc.200420026

10. Liu S., Suflita J.M. Ecology and evolution of microbial populations for bioremediation. Trends in Biotechnology. 1993; 11(8): 344‒352. https://doi.org/10.1016/0167-7799(93)90157-5

11. Ayangbenro A.S., Babalola O.O. A New Strategy for Heavy Metal Polluted Environments: A Review of Microbial Biosorbents. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2017; 14(1): 94. https://doi.org/10.3390/ijerph14010094

12. Pystin V. et al. The rationale for the recovery of the territories contaminated by organomineral waste. E3S Web of Conferences: Actual Problems of Ecology and Environmental Management (APEEM 2023). EDP Sciences. 2023; 407: 03008. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340703008

13. Takaeva M. Biotechnology of solid waste disposal (anaerobic processing) in the urban environment. BIO Web of Conferences. 2023; 76: 04001. https://doi.org/10.1051/bioconf/20237604001

14. Salishcheva O. et al. Biodegradation of organic compounds in wastewater. Bio web of Сonferences: Agro-Bio-Technologies 2023 — Innovative Solutions for the Development of the Industry. EDP Sciences. 2023; 64: 01003. https://doi.org/10.1051/bioconf/20236401003

15. Zheng S., Wang B., Li Y., Liu F., Wang O. Electrochemically active iron (III)-reducing bacteria in coastal riverine sediments. Journal of Basic Microbiology. 2017; 57(12): 1045‒1054. https://doi.org/10.1002/jobm.201700322

16. Zhan Y. et al. Iron and total organic carbon shape the spatial distribution pattern of sediment Fe(III) reducing bacteria in a volcanic lake, NE China. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2021; 37(9): 155. https://doi.org/10.1007/s11274-021-03125-z

17. Shilkina S., Baraboshkina A. Bioaugmentation in wastewater treatment: Features of technology and automation. International Scientific and Practical Symposium “The Future of the Construction Industry: Challenges and Development Prospects”: E3S Web of Conferences. EDP Sciences. 2023; 457: 02022. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345702022.

18. Myrzalieva S.K. et al. Study of the dependence of component composition — degree of wastewater purification by adsorbents based on plant raw materials to control the content of priority pollutants in water bodies. BIO Web of Conferences. 2024; 82: 06010. https://doi.org/10.1051/bioconf/20248206010.

19. Sharma V., Singh P., Trivedi B., Kamboj N., Bisht A., Pandey N. Assessment of Iron Biosorption Potential by Live and Dead Biomass of Bacillus subtilis (MN093305) from Aqueous Solution. Indian Journal of Microbiology. 2024; 64(1): 153‒164. https://doi.org/10.1007/s12088-023-01144-y

20. Krishna Kanamarlapudi S.L.R., Muddada S. Structural Changes of Bacillus subtilis Biomass on Biosorption of Iron (II) from Aqueous Solutions: Isotherm and Kinetic Studies. Polish Journal of Microbiology. 2019; 68(4): 549‒558. https://doi.org/10.33073/pjm-2019-057

21. Сизенцов А.Н., Бибарцева Е.В., Синеок Д.М. Сравнительная оценка уровня толерантности почвенных изолятов Bacillus subtilis в отношении химических соединений меди. Аграрная наука. 2022; (10): 86‒90. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2022-363-10-86-90

22. Sizentsov A., Davydova O., Sizentsov Y., Barysheva E. Assessment the technology for heavy metal biotoxicity and biosorption by bacterial cells. Biochemical and Cellular Archives. 2021; 21(1): 901‒906.