Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria
Monoaromatic substances belong to the most widespread and dangerous environmental pollutants. They are components of wastewater from oil refineries and the coal and chemical industries and are often found in soil, groundwater, and surface water. The use of actinobacteria for bioremediation of natura...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine
2024
|
| Онлайн доступ: | https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/154 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Microbiological Journal |
Репозитарії
Microbiological Journal| id |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-154 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Microbiological Journal |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2024-09-03T15:29:34Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic_facet |
actinobacteria Rhodococcus Dietzia Gordonia monoaromatic substances fatty acids catA gene catechol 1,2-dioxygenase актинобактерії Dietzia Gordonia Rhodococcus моноароматичні речовини жирні кислоти ген catA катехол 1,2-діоксигеназа |
| format |
Article |
| author |
Nohina, T.M. Khomenko, L.A. Zelena, L.B. Kharkhota, M.A. Ногіна, Т.М. Хоменко, Л.А. Зелена, Л.Б. Хархота, М.А. |
| spellingShingle |
Nohina, T.M. Khomenko, L.A. Zelena, L.B. Kharkhota, M.A. Ногіна, Т.М. Хоменко, Л.А. Зелена, Л.Б. Хархота, М.А. Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| author_facet |
Nohina, T.M. Khomenko, L.A. Zelena, L.B. Kharkhota, M.A. Ногіна, Т.М. Хоменко, Л.А. Зелена, Л.Б. Хархота, М.А. |
| author_sort |
Nohina, T.M. |
| title |
Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| title_short |
Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| title_full |
Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| title_fullStr |
Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| title_full_unstemmed |
Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria |
| title_sort |
monoaromatic compounds biodegradation by hydrocarbon-oxidizing actinobacteria |
| title_alt |
Біодеструкція моноароматичних речовин вуглеводеньокиснювальними актинобактеріями |
| description |
Monoaromatic substances belong to the most widespread and dangerous environmental pollutants. They are components of wastewater from oil refineries and the coal and chemical industries and are often found in soil, groundwater, and surface water. The use of actinobacteria for bioremediation of natural and industrial objects contaminated by these substances is an environmentally and economically advantageous alternative to physicochemical cleaning methods. Therefore, it is actual to search for new actinobacteria strains capable to assimilate of monoaromatic compounds for their further use in biotechnologies of purification of the environment polluted by these substances. Aim. To determine the ability of hydrocarbon-oxidizing strains of actinobacteria of the Ukrainian Collection of Microorganisms to assimilate monoaromatic compounds − derivatives of benzene and phenol. Methods. The strain cultivation was carried out in a liquid mineral medium at an initial concentration of monoaromatic compounds of 500 mg/L as the only source of carbon and energy. The expression activity of the catA gene encoding catechol 1,2-dioxygenase, the key enzyme at the initial stage of the monoaromatic compounds biodegradation, was assessed under culture growth conditions with phenol and glucose. Relative expression of the catA gene was evaluated using RT-qPCR. Fatty acid methyl esters were obtained by hydrolysis of cells in a 5 % solution of acetyl chloride in methanol, followed by extraction with an ether-hexane mixture. Methyl esters were identified using an Agilent 6800N/5973 inert GC/MS system (Agilent Technologies, US). Fatty acid content was determined by AgilentChemStation software. Results. It was established that the studied strains of actinobacteria belonging to the species Dietzia maris, Gordonia rubripertincta, Rhodococcus aetherivorans, and Rhodococcus erythropolis differ in their ability to assimilate monocyclic aromatic compounds − benzene and phenol derivatives. Most strains grew better in media with benzene and its derivatives. All strains well grew on a mixture of ethylbenzene, ortho-, meta-, and para-xylene (EX), most of them grew with different intensities on a mixture of benzene, toluene, and ortho-xylene (BTX), and on monosubstrates – benzene, benzotriazole, and benzoate. Toluene was used by 50 % of the studied strains, and only one of them (R. aetherivorans UCM Ac-602) grew on ortho-xylene. A smaller amount of strains grew in media with phenol derivatives. They did not assimilate ortho-cresol and hydroquinone but grew with different intensities on phenol, paranitrophenol, resorcinol, and catechol. Only a few strains grew in the presence of meta- and para-cresols. The widest range of monoaromatic substances was used by R. aetherivorans UCM Ac-602. It was shown that in the process of phenol assimilation by strain R. aetherivorans UCM Ac-602, the level of transcriptional activity of the catA gene encoding the key enzyme of an ortho-pathway of aromatic ring cleavage, catechol 1,2-dioxygenase, increased almost 2-fold after 48 h compared to 24 h of strain growth on this substrate and 3-fold compared to glucose. The obtained data indicate the ability of R. aetherivorans UCM Ac-602 strains to assimilate monoaromatic substances through theortho-cleavage way. During growth on benzene, toluene, BTX and EX substances, the fatty acid pool of cells of this strain was dominated by hexadecanoic C16:0 (32.73-39.81 %), hexadecenoic C16:1 cis-9 (5.66-15.11 %), and octadecenoic C18:1 cis-9 (7.09-11.83 %) acids, as well as 10-methyloctadecanoic 10-Me-C18:0 (29.88-34.76 %) acid. The composition of fatty acids of cells grown on aromatic compounds, unlike those grown on glucose, contained 2.4-4.0 times less unsaturated C18:1 cis-9 acid and 2.8-3.2 times more methyl-branched acid 10Me-C18:0. Conclusions. Assimilation of monoaromatic compounds − derivatives of benzene and phenol - is a strain-specific characteristic of the actinobacteria species. Using strain R. aetherivorans UCM Ac-602 as an example, it was shown that the assimilation of monoaromatic substances in studied actinobacteria occurs through the ortho-cleavage pathway. One of the adaptation mechanisms of strain R. aetherivorans UCM Ac-602 to the assimilation of these substances is a significant decrease in unsaturated fatty acids and an increase in methyl branched acids, which contributes to an increase in membrane rigidity and cell resistance to the toxic effect of these substrates. The data obtained indicate a high level of adaptation of actinobacteria to the assimilation of monoaromatic compounds and the prospects for their further study to be used in biotechnologies for environmental purification from these pollutants. |
| publisher |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine |
| publishDate |
2024 |
| url |
https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/154 |
| work_keys_str_mv |
AT nohinatm monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT khomenkola monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT zelenalb monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT kharkhotama monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT nogínatm monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT homenkola monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT zelenalb monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT harhotama monoaromaticcompoundsbiodegradationbyhydrocarbonoxidizingactinobacteria AT nohinatm bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT khomenkola bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT zelenalb bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT kharkhotama bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT nogínatm bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT homenkola bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT zelenalb bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi AT harhotama bíodestrukcíâmonoaromatičnihrečovinvuglevodenʹokisnûvalʹnimiaktinobakteríâmi |
| first_indexed |
2025-07-17T12:21:17Z |
| last_indexed |
2025-07-17T12:21:17Z |
| _version_ |
1850410658425733120 |
| spelling |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-1542024-09-03T15:29:34Z Monoaromatic Compounds Biodegradation by Hydrocarbon-Oxidizing Actinobacteria Біодеструкція моноароматичних речовин вуглеводеньокиснювальними актинобактеріями Nohina, T.M. Khomenko, L.A. Zelena, L.B. Kharkhota, M.A. Ногіна, Т.М. Хоменко, Л.А. Зелена, Л.Б. Хархота, М.А. actinobacteria Rhodococcus Dietzia Gordonia monoaromatic substances fatty acids catA gene catechol 1,2-dioxygenase актинобактерії Dietzia Gordonia Rhodococcus моноароматичні речовини жирні кислоти ген catA катехол 1,2-діоксигеназа Monoaromatic substances belong to the most widespread and dangerous environmental pollutants. They are components of wastewater from oil refineries and the coal and chemical industries and are often found in soil, groundwater, and surface water. The use of actinobacteria for bioremediation of natural and industrial objects contaminated by these substances is an environmentally and economically advantageous alternative to physicochemical cleaning methods. Therefore, it is actual to search for new actinobacteria strains capable to assimilate of monoaromatic compounds for their further use in biotechnologies of purification of the environment polluted by these substances. Aim. To determine the ability of hydrocarbon-oxidizing strains of actinobacteria of the Ukrainian Collection of Microorganisms to assimilate monoaromatic compounds − derivatives of benzene and phenol. Methods. The strain cultivation was carried out in a liquid mineral medium at an initial concentration of monoaromatic compounds of 500 mg/L as the only source of carbon and energy. The expression activity of the catA gene encoding catechol 1,2-dioxygenase, the key enzyme at the initial stage of the monoaromatic compounds biodegradation, was assessed under culture growth conditions with phenol and glucose. Relative expression of the catA gene was evaluated using RT-qPCR. Fatty acid methyl esters were obtained by hydrolysis of cells in a 5 % solution of acetyl chloride in methanol, followed by extraction with an ether-hexane mixture. Methyl esters were identified using an Agilent 6800N/5973 inert GC/MS system (Agilent Technologies, US). Fatty acid content was determined by AgilentChemStation software. Results. It was established that the studied strains of actinobacteria belonging to the species Dietzia maris, Gordonia rubripertincta, Rhodococcus aetherivorans, and Rhodococcus erythropolis differ in their ability to assimilate monocyclic aromatic compounds − benzene and phenol derivatives. Most strains grew better in media with benzene and its derivatives. All strains well grew on a mixture of ethylbenzene, ortho-, meta-, and para-xylene (EX), most of them grew with different intensities on a mixture of benzene, toluene, and ortho-xylene (BTX), and on monosubstrates – benzene, benzotriazole, and benzoate. Toluene was used by 50 % of the studied strains, and only one of them (R. aetherivorans UCM Ac-602) grew on ortho-xylene. A smaller amount of strains grew in media with phenol derivatives. They did not assimilate ortho-cresol and hydroquinone but grew with different intensities on phenol, paranitrophenol, resorcinol, and catechol. Only a few strains grew in the presence of meta- and para-cresols. The widest range of monoaromatic substances was used by R. aetherivorans UCM Ac-602. It was shown that in the process of phenol assimilation by strain R. aetherivorans UCM Ac-602, the level of transcriptional activity of the catA gene encoding the key enzyme of an ortho-pathway of aromatic ring cleavage, catechol 1,2-dioxygenase, increased almost 2-fold after 48 h compared to 24 h of strain growth on this substrate and 3-fold compared to glucose. The obtained data indicate the ability of R. aetherivorans UCM Ac-602 strains to assimilate monoaromatic substances through theortho-cleavage way. During growth on benzene, toluene, BTX and EX substances, the fatty acid pool of cells of this strain was dominated by hexadecanoic C16:0 (32.73-39.81 %), hexadecenoic C16:1 cis-9 (5.66-15.11 %), and octadecenoic C18:1 cis-9 (7.09-11.83 %) acids, as well as 10-methyloctadecanoic 10-Me-C18:0 (29.88-34.76 %) acid. The composition of fatty acids of cells grown on aromatic compounds, unlike those grown on glucose, contained 2.4-4.0 times less unsaturated C18:1 cis-9 acid and 2.8-3.2 times more methyl-branched acid 10Me-C18:0. Conclusions. Assimilation of monoaromatic compounds − derivatives of benzene and phenol - is a strain-specific characteristic of the actinobacteria species. Using strain R. aetherivorans UCM Ac-602 as an example, it was shown that the assimilation of monoaromatic substances in studied actinobacteria occurs through the ortho-cleavage pathway. One of the adaptation mechanisms of strain R. aetherivorans UCM Ac-602 to the assimilation of these substances is a significant decrease in unsaturated fatty acids and an increase in methyl branched acids, which contributes to an increase in membrane rigidity and cell resistance to the toxic effect of these substrates. The data obtained indicate a high level of adaptation of actinobacteria to the assimilation of monoaromatic compounds and the prospects for their further study to be used in biotechnologies for environmental purification from these pollutants. Моноароматичні речовини належать до найбільш поширених і особливо небезпечних забруднювачів довкілля. Вони є компонентами стічних вод нафтопереробних заводів, вугільної та хімічної промисловості і часто зустрічаються в ґрунті, підземних і поверхневих водах. Використання актинобактерій для біоремедіації забруднених цими речовинами природних і промислових об’єктів є екологічно та економічно вигідною альтернативою фізико-хімічних методів очищення. Тому актуальним є пошук нових штамів актинобактерій, здатних засвоювати моноароматичні сполуки, для подальшого використання їх у біотехнологіях очищення забрудненого цими речовинами середовища. Мета. Визначити здатність вуглеводеньокиснювальних штамів актинобактерій Української колекції мікроорганізмів до засвоєння моноароматичних сполук − похідних бензолу та фенолу. Методи. Культивування штамів проводили на рідкому мінеральному середовищі за початкової концентрації моноароматичних сполук 500 мг/л як єдиного джерела вуглецю та енергії. Оцінку активності експресії гена catA, що кодує катехол 1,2-диоксигеназу – ключовий фермент початкового етапу біодеструкції моноароматичних сполук, проводили за умов росту культур на фенолі і глюкозі. Відносну експресію гена catA оцінювали методом ЗТ-кПЛР. Метилові ефіри жирних кислот отримували гідролізом клітин у 5 % розчині ацетилхлориду в метанолі з наступною екстракцією сумішшю ефір-гексан. Ідентифікацію метилових ефірів проводили за допомогою хромато-мас-спектрометричної системи Agilent 6800N/5973 inert (Agilent Technologies, US). Вміст жирних кислот визначали за допомогою програмного забезпечення AgilentChemStation. Результати. Встановлено, що досліджувані штами актинобактерій, які належать до видів Dietzia maris, Gordonia rubripertincta, Rhodococcus aetherivorans та Rhodococcus erythropolis, відрізняються між собою за здатністю засвоювати моноциклічні ароматичні сполуки − похідні бензолу та фенолу. Більшість штамів краще росли на середовищах з бензолом та його похідними. Усі штами добре росли на суміші етилбензолу та орто-, мета- і пара-ксилолу, більшість з них з різною інтенсивністю росли на суміші бензолу, толуолу та орто-ксилолу (БТК) та на моносубстратах – бензолі, бензотриазолі і бензоаті. Толуол використовували 50 % досліджуваних штамів, і лише один з них (R. aetherivorans УКМ Ac-602) ріс на орто-ксилолі. Менша кількість штамів росла на середовищах з похідними фенолу. Вони не засвоювали орто-крезол і гідрохінон, але з різною інтенсивністю росли на фенолі, паранітрофенолі, резорцині і катехолі. Лише декілька штамів росли в присутності мета- та пара-крезолу. Найбільш широкий спектр моноароматичних речовин засвоював штам R. aetherivorans УКМ Ac-602. Показано, що в процесі засвоєння цим штамом фенолу рівень транскрипційної активності гену catA, що кодує ключовий фермент орто-шляху розщеплення ароматичного кільця – катехол 1,2-диоксигеназу, збільшувався майже у 2 рази через 48 год порівняно з 24 год росту штаму на цьому субстраті та у 3 рази − порівняно з глюкозою. Отримані дані свідчать про здатність штаму R. aetherivorans УКМ Ac-602 засвоювати моноароматичні речовини шляхом орто-розщеплення. У процесі росту на бензолі, толуолі, БТК та ЕК речовинах у пулі жирних кислот клітин цього штаму переважали гексадеканова C16:0 (32,73–39,81 %), гексадеценова C16:1 цис-9 (5,66–15,11 %) та октадеценова С18:1 цис-9 (7,09–11,83 %) кислоти, а також 10-метилоктадеканова 10-Ме-С18:0 (29,88–34,76 %) кислота. У складі жирних кислот клітин, вирощених на ароматичних сполуках, на відміну від вирощених на глюкозі, містилося у 2,4–4,0 рази менше ненасиченої С18:1 цис-9 кислоти і в 2,8–3,2 рази більше метилрозгалуженої кислоти 10Ме-С18:0. Висновки. Засвоєння моноароматичних сполук − похідних бензолу та фенолу − є штам-специфічною ознакою видів актинобактерій. На прикладі штаму R. aetherivorans УКМ Ac-602 показано, що засвоєння моноароматичних сполук відбувається у досліджених актинобактерій орто-шляхом. Одним із механізмів адаптації штаму R. aetherivorans UCM Ac-602 до засвоєння цих речовин є значне зниження вмісту в клітинах ненасичених жирних кислот та збільшення кількості метил розгалужених кислот, що сприяє підвищенню жорсткості мембран і стійкості клітин до токсичної дії цих субстратів. Отримані дані свідчать про високий рівень адаптації актинобактерій до засвоєння моноароматичних сполук та перспективність подальшого вивчення їх з метою використання в біотехнологіях очищення навколишнього середовища від цих речовин-забрудників. PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine 2024-09-03 Article Article application/pdf https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/154 10.15407/microbiolj86.04.019 Mikrobiolohichnyi Zhurnal; Vol. 86 No. 4 (2024): Mikrobiolohichnyi Zhurnal; 19-32 Мікробіологічний журнал; Том 86 № 4 (2024): Мікробіологічний журнал; 19-32 2616-9258 1028-0987 10.15407/microbiolj86.04 en https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/154/76 Copyright (c) 2024 Mikrobiolohichnyi Zhurnal https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |