Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass
Objective. This research aimed at laboratory simulation of anaerobic digestion of plant biomass contaminated by a mixture of viruses with a wide host range to evaluate if viruses can retain their infectivity and pose a biohazard during the use of plant-based reusable resources such as digestate. Met...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine
2023
|
| Online Zugang: | https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/121 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Microbiological Journal |
Institution
Microbiological Journal| id |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-121 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Microbiological Journal |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2023-10-27T16:46:04Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic_facet |
viruses survival infectivity plant biomass waste treatment anaerobic digestion виживання інфекційність рослинна біомаса переробка відходів анаеробна ферментація віруси |
| format |
Article |
| author |
Shevchenko, O.V. Kharina, A.V. Snihur, H.O. Shevchenko, T.P. Budzanivska, I.H. Шевченко, О.В. Харіна, А.В. Снігур, Г.О. Шевченко, Т.П. Будзанівська, І.Г. |
| spellingShingle |
Shevchenko, O.V. Kharina, A.V. Snihur, H.O. Shevchenko, T.P. Budzanivska, I.H. Шевченко, О.В. Харіна, А.В. Снігур, Г.О. Шевченко, Т.П. Будзанівська, І.Г. Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| author_facet |
Shevchenko, O.V. Kharina, A.V. Snihur, H.O. Shevchenko, T.P. Budzanivska, I.H. Шевченко, О.В. Харіна, А.В. Снігур, Г.О. Шевченко, Т.П. Будзанівська, І.Г. |
| author_sort |
Shevchenko, O.V. |
| title |
Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| title_short |
Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| title_full |
Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| title_fullStr |
Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| title_full_unstemmed |
Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass |
| title_sort |
viruses demonstrate selective survival during simulated anaerobic digestion of plant biomass |
| title_alt |
Віруси демонструють вибіркове виживання під час симуляції анаеробного травлення рослинної біомаси |
| description |
Objective. This research aimed at laboratory simulation of anaerobic digestion of plant biomass contaminated by a mixture of viruses with a wide host range to evaluate if viruses can retain their infectivity and pose a biohazard during the use of plant-based reusable resources such as digestate. Methods. Anaerobic digestion was simulated in air-tight desiccators using anaerobic bags and indicator strips to ensure proper conditions, and using fresh biomass of naturallyvirus-infected plants. In one of the variants, a commercial mixture of anaerobic bacteria and enzymes was also added to see if it would be more efficient in terms of plant digestion and virus inactivation. For serological detection of the tomato mosaic virus, cucumber mosaic virus, and potato virus Y, DAS-ELISA was used with commercial diagnostic kits and positive controls. Absorbance values were measured at 405 nm. Total RNA was extracted using a RNeasy Plant Mini kit following the manufacturer’s instructions. Molecular detection of viruses was carried out by two-step RT-PCR using specific oligonucleotide primers available from the literature. To check if the viruses can retain their infectivity after the anaerobic digestion of plant biomass waste, a bioassay was used where Nicotiana rustica plants producing necrotic lesions upon infection with many viruses were mechanically inoculated at the stage of 2 true leaves. For statistical processing of data, the mean and standard error were calculated using Microsoft Excel software. Results. After prolonged anaerobic digestion, tomato mosaic virus was still detected in plant residues, but it is important to note that it was also found in high concentration in the liquid phase. Hence, during the anaerobic digestion, a significant proportion of the virus was successfully eluted from plant residues into the digestate. Interestingly and contrary to tomato mosaic virus, cucumber mosaic virus has not practically eluted to the liquid phase. On the other hand, potato virus Y was supposedly completely decomposed during the anaerobic digestion of plant biomass waste, as it was not detected either by ELISA or by PCR. It is likely that not all of the investigated viruses represent a potential biohazard in the context of the use of renewable resources. RT-PCR outcomes showed the presence of tomato mosaic virus and cucumber mosaic virus both in the solid and the liquid phases, augmenting the ELISA data. Lastly, bioassay results have confirmed that at least tomato mosaic tobamovirus may escape the aggressive process of waste decomposition and remain able to infect host plants raising issues about the safety of reusable plant resources. Conclusions. The survival of plant viruses during plant biomass waste processing was studied in the context of biological safety. The preservation of serological markers and genetic signatures of model viruses in the process of anaerobic digestion has been confirmed. For the first time, it was proven that tomato mosaic virus may preserve its infectivity during long-term incubation of plant biomass waste in anaerobic conditions, which requires further attention when using renewable resources. On the example of PVY, it has been shown that potyviruses do not survive during anaerobic digestion and therefore may not pose an epidemic risk in using processed renewable resources. It has been demonstrated that artificial introduction of anaerobic microorganisms does not have a decisive effect on the stability of the studied model viruses. |
| publisher |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/121 |
| work_keys_str_mv |
AT shevchenkoov virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT kharinaav virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT snihurho virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT shevchenkotp virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT budzanivskaih virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT ševčenkoov virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT harínaav virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT snígurgo virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT ševčenkotp virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT budzanívsʹkaíg virusesdemonstrateselectivesurvivalduringsimulatedanaerobicdigestionofplantbiomass AT shevchenkoov vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT kharinaav vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT snihurho vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT shevchenkotp vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT budzanivskaih vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT ševčenkoov vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT harínaav vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT snígurgo vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT ševčenkotp vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi AT budzanívsʹkaíg vírusidemonstruûtʹvibírkoveviživannâpídčassimulâcííanaerobnogotravlennâroslinnoíbíomasi |
| first_indexed |
2025-07-17T12:21:05Z |
| last_indexed |
2025-07-17T12:21:05Z |
| _version_ |
1850410596520951808 |
| spelling |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-1212023-10-27T16:46:04Z Viruses Demonstrate Selective Survival During Simulated Anaerobic Digestion of Plant Biomass Віруси демонструють вибіркове виживання під час симуляції анаеробного травлення рослинної біомаси Shevchenko, O.V. Kharina, A.V. Snihur, H.O. Shevchenko, T.P. Budzanivska, I.H. Шевченко, О.В. Харіна, А.В. Снігур, Г.О. Шевченко, Т.П. Будзанівська, І.Г. viruses survival infectivity plant biomass waste treatment anaerobic digestion виживання інфекційність рослинна біомаса переробка відходів анаеробна ферментація віруси Objective. This research aimed at laboratory simulation of anaerobic digestion of plant biomass contaminated by a mixture of viruses with a wide host range to evaluate if viruses can retain their infectivity and pose a biohazard during the use of plant-based reusable resources such as digestate. Methods. Anaerobic digestion was simulated in air-tight desiccators using anaerobic bags and indicator strips to ensure proper conditions, and using fresh biomass of naturallyvirus-infected plants. In one of the variants, a commercial mixture of anaerobic bacteria and enzymes was also added to see if it would be more efficient in terms of plant digestion and virus inactivation. For serological detection of the tomato mosaic virus, cucumber mosaic virus, and potato virus Y, DAS-ELISA was used with commercial diagnostic kits and positive controls. Absorbance values were measured at 405 nm. Total RNA was extracted using a RNeasy Plant Mini kit following the manufacturer’s instructions. Molecular detection of viruses was carried out by two-step RT-PCR using specific oligonucleotide primers available from the literature. To check if the viruses can retain their infectivity after the anaerobic digestion of plant biomass waste, a bioassay was used where Nicotiana rustica plants producing necrotic lesions upon infection with many viruses were mechanically inoculated at the stage of 2 true leaves. For statistical processing of data, the mean and standard error were calculated using Microsoft Excel software. Results. After prolonged anaerobic digestion, tomato mosaic virus was still detected in plant residues, but it is important to note that it was also found in high concentration in the liquid phase. Hence, during the anaerobic digestion, a significant proportion of the virus was successfully eluted from plant residues into the digestate. Interestingly and contrary to tomato mosaic virus, cucumber mosaic virus has not practically eluted to the liquid phase. On the other hand, potato virus Y was supposedly completely decomposed during the anaerobic digestion of plant biomass waste, as it was not detected either by ELISA or by PCR. It is likely that not all of the investigated viruses represent a potential biohazard in the context of the use of renewable resources. RT-PCR outcomes showed the presence of tomato mosaic virus and cucumber mosaic virus both in the solid and the liquid phases, augmenting the ELISA data. Lastly, bioassay results have confirmed that at least tomato mosaic tobamovirus may escape the aggressive process of waste decomposition and remain able to infect host plants raising issues about the safety of reusable plant resources. Conclusions. The survival of plant viruses during plant biomass waste processing was studied in the context of biological safety. The preservation of serological markers and genetic signatures of model viruses in the process of anaerobic digestion has been confirmed. For the first time, it was proven that tomato mosaic virus may preserve its infectivity during long-term incubation of plant biomass waste in anaerobic conditions, which requires further attention when using renewable resources. On the example of PVY, it has been shown that potyviruses do not survive during anaerobic digestion and therefore may not pose an epidemic risk in using processed renewable resources. It has been demonstrated that artificial introduction of anaerobic microorganisms does not have a decisive effect on the stability of the studied model viruses. Мета. Дослідження було спрямоване на лабораторне моделювання анаеробної ферментації рослинної біомаси, контамінованої сумішшю вірусів рослин, що мають широкий спектр рослин-хазяїв, для оцінки того, чи можуть віруси зберігати свою інфекційність і становити біологічну небезпеку під час використання рослинних ресурсів багаторазового використання, таких як дигестат. Методи. Анаеробна ферментація була змодельована в герметичних ексикаторах з використанням анаеробних пакетів та індикаторних смужок для забезпечення належних умов, а також з використанням свіжої біомаси рослин, природно заражених вірусами. Один із дослідних варіантів містив комерційну суміш анаеробних бактерій і ферментів для підсилення ферментації рослин. Детекцію вірусів здійснювали за допомогою DAS-ELISA з комерційними діагностичними наборами та позитивними контролями. Значення абсорбції одержували при довжині хвилі 405 нм. Тотальну РНК виділяли за допомогою набору RNeasy Plant Mini kit, дотримуючись інструкцій виробника. Молекулярну детекцію вірусів проводили за допомогою двоетапної RT-PCR з використанням специфічних олігонуклеотидних праймерів. Вивчення збереження інфекційності вірусів після анаеробної ферментації відходів рослинної біомаси проводили за допомогою біотестування на рослинах Nicotiana rustica. Результати. Після тривалої анаеробної ферментації вірус мозаїки томату детектувався у рослинних рештках. При цьому важливо відзначити, що цей вірус також був виявлений у високій концентрації в рідкій фазі. Отже, під час анаеробної ферментації значна частина вірусу успішно елюювала з рослинних решток до дигестату. Слід зазначити, що вірус огіркової мозаїки, на відміну від вірусу мозаїки томату, практично не елюював до рідкої фази. З іншого боку, Y-вірус картоплі був повністю деградований під час анаеробної ферментації відходів рослинної біомаси, оскільки його не можна було детектувати ані методом ІФА, ані ПЛР. Цілком імовірно, що не всі досліджені віруси становлять потенційну біологічну небезпеку в контексті використання відновлюваних ресурсів. Результати RT-PCR показали наявність вірусу мозаїки томату та вірусу огіркової мозаїки як у твердій, так і в рідкій фазах, що доповнює дані ELISA. Нарешті, результати біотестування підтвердили, що принаймні тобамовірус мозаїки томату може уникати агресивного процесу розкладання відходів і залишатися здатним інфікувати рослини-хазяї, що викликає питання щодо безпеки рослинних ресурсів багаторазового використання. Висновки. Вивчено характеристики виживання вірусів різних родин під час переробки відходів біомаси у контексті біологічної безпеки. Підтверджено збереження серологічних маркерів та генетичних сигнатур модельних вірусів у процесі анаеробної ферментації. Вперше доведено, що вірус мозаїки томату може зберігати свою інфекційність впродовж довготривалої інкубації відходів рослинної біомаси в анаеробних умовах, що потребує додаткової уваги при використанні відновлювальних ресурсів. На прикладі Y-вірусу картоплі доведено, що потівіруси не виживають під час анаеробної ферментації і тому можуть не становити епідемічного ризику при використанні відновлювальних рослинних ресурсів. Показано, що штучне додавання анаеробних мікроорганізмів не має вирішального впливу на стабільність досліджуваних вірусів. PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine 2023-10-23 Article Article application/pdf https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/121 10.15407/microbiolj85.05.055 Mikrobiolohichnyi Zhurnal; Vol. 85 No. 5 (2023): Mikrobiolohichnyi Zhurnal; 55-65 Мікробіологічний журнал; Том 85 № 5 (2023): Мікробіологічний журнал; 55-65 2616-9258 1028-0987 10.15407/microbiolj85.05 en https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/121/35 Copyright (c) 2023 Mikrobiolohichnyi Zhurnal https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |