Sporosarcina pasteurii - Sporosarcina pasteurii

Sporosarcina pasteurii
Научная классификация
Домен:
Бактерии
Разделение:
Фирмикуты
Учебный класс:
Бациллы
Заказ:
Бациллы
Семья:
Planococcaceae
Род:
Споросарцина
Разновидность:
Sporosarcina pasteurii

Бергей 2004

Sporosarcina pasteurii ранее известный как Bacillus pasteurii от старшего таксономии, является грамм положительным бактерия с возможностью осаждения кальцит и затвердеть песок с учетом кальций источник и мочевина; через процесс микробиологически вызванное осаждение кальцита (MICP) или биологический цементация.[1] S. pasteurii предложено использовать в качестве экологически чистого биологического строительного материала. Он обычно используется для MICP, поскольку он непатогенный и способен производить большое количество фермента уреаза который гидролизует мочевину до карбонат и аммиак.[2]

Физиология

S. pasteurii это грамм положительный бактерия, имеющая в природе палочковидную форму. Обладает способностью образовывать эндоспоры в правильных условиях окружающей среды, чтобы повысить его выживаемость, что является характеристикой его бацилла учебный класс.[3] Он имеет размеры от 0,5 до 1,2 мкм в ширину и от 1,3 до 4,0 мкм в длину. Потому что это алкалифил, он хорошо себя чувствует в основных средах с pH 9-10. Он может выдерживать относительно суровые условия до pH 11,2.[2]

Обмен веществ и рост

S. pasteurii переносятся почвой факультативные анаэробы которые гетеротрофный и требуют для роста мочевины и аммония.[4] Аммоний используется, чтобы позволить субстратам пересекать клеточная мембрана в камеру.[4] Мочевина используется в качестве источника азота и углерода для бактерий. S. pasteurii способны вызвать гидролиз мочевины и использовать ее в качестве источника энергии, производя и выделяя уреаза фермент. Фермент гидролизует мочевину с образованием карбоната и аммиака. Во время этого гидролиза происходит еще несколько спонтанных реакций. Карбамат гидролизуется до угольная кислота и аммиак, а затем гидролизуется до аммония и бикарбонат.[2] Этот процесс приводит к увеличению pH реакции на 1-2, делая среду более щелочной, что способствует созданию условий, в которых процветает эта конкретная бактерия.[5] Поддержание среды с таким pH может быть дорогостоящим при крупномасштабном производстве этой бактерии для биоцементации. На скорость роста S. pasteurii. Сюда входит определение оптимальной температуры, pH, концентрации мочевины, плотности бактерий, уровня кислорода и т. Д.[5] Было обнаружено, что оптимальная температура выращивания составляет 30 ° C, но это не зависит от других факторов окружающей среды.[3] С S. pastuerii находятся галотолерантный, они могут расти в присутствии низких концентраций водных хлорид-ионов, которые достаточно низки, чтобы не подавлять рост бактериальных клеток.[5] Это показывает перспективные приложения для MICP использовать.

Геномные свойства

Целый геном из S. pasteurii NCTC4822 был секвенирован и описан в Регистрационный номер NCBI: NZ_UGYZ01000000. С хромосома длиной 3,3 Мб, содержит 3036 кодирующих белков гены и имеет Содержимое GC 39,17%.[6] Когда рассчитывается отношение известных функциональных генов к неизвестным генам, бактерия показывает самые высокие отношения для транспорта, метаболизма и транскрипции. Высокая доля этих функций позволяет превращать мочевину в карбонат-ионы, что необходимо для биоминерализация процесс.[6] Бактерия имеет семь идентифицированных генов, которые также 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.[6]

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 клеточная мембрана.[3] Когда бактерия помещается в среду, богатую кальцитом, отрицательно заряженные ионы карбоната реагируют с положительными ионами металлов, такими как кальций, с образованием осадка. карбонат кальция, или же биоцемент.[2] Карбонат кальция затем можно использовать в виде осадка или можно кристаллизовать в виде кальцита для скрепления частиц песка вместе. Поэтому при помещении в среду хлорида кальция S. pasteurii способны выжить, так как они галотолерантный и алкалифилы. Поскольку бактерии остаются нетронутыми во время суровых минерализация условия, надежны и несут отрицательный поверхностный заряд, они служат хорошо сайты зарождения за MICP.[6] Отрицательно заряженная клеточная стенка бактерии обеспечивает место взаимодействия положительно заряженных катионов с образованием минералы. Степень этого взаимодействия зависит от множества факторов, включая характеристики поверхности клетки, количество пептидогликан, посредничество уровень свободного карбоксила и наличие тейхоевые кислоты.[5] S. pasteurii показать крайне отрицательный поверхностный заряд что может быть показано в его крайне негативном дзета-потенциал -67 мВ по сравнению с неминерализующими бактериями E. кишечная палочка, S. aureus и B. subtilis при -28, -26 и -40,8 мВ соответственно.[6] 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.[6]

Текущие и потенциальные приложения

Опустынивание примером являются песчаные дюны, наступающие на Нуакшот, столица Мавритания

S. pasteurii имеют цель улучшить строительные материалы, как в конкретный или же миномет. 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 разрыв безвредным для окружающей среды способом. Одним из недостатков является то, что этот метод возможен только для доступных внешних поверхностей.[5]

Другое приложение - использовать S. pasteurii при биологическом самовосстановлении бетона, что включает внедрение бактерии в конкретный матрица во время подготовки бетона для заживления микротрещин. Это дает преимущество минимального вмешательства человека и дает более прочный бетон с более высокой прочность на сжатие.[5]

Одно ограничение использования этой бактерии для биоминерализация это 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.[6] Одно из возможных решений - связать эту бактерию в биоцементе с соединениями, выделяющими кислород (ORC), которые обычно используются для биоремедиация и удаление загрязняющие вещества из почвы.[5] С помощью этой комбинации можно уменьшить недостаток кислорода и оптимизировать MICP для бактерии.

Некоторые конкретные примеры текущих приложений включают:

  • Студент-архитектор Магнус Ларссон выиграл в 2008 году Премия Holcim Первая премия "Next Generation" для региона Африка Ближний Восток за его проект "Dune anti-опустынивание архитектура, Сокото, Нигерия »и его дизайн жилой стены.[7] Ларссонс также представил свое предложение на ТЕД.[8]
  • Имбирь Криг Досье уникальная биотехнологическая стартап-компания bioMason из Роли, Северная Каролина, разработала метод выращивания кирпичей из Sporosarcina pasteurii и естественно обильные материалы. 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).[9]

Другие потенциальные приложения включают:

  • Используйте бактерии для отверждения разжижаемой почвы на участках, подверженных землетрясения.
  • Форма био-кирпичи
  • Стабилизировать болота и болота
  • Уменьшите заселение построек[4]
  • Удалите тяжелые металлы из сточных вод[10]

При использовании этой бактерии в промышленных целях необходимо учитывать потенциал масштабирования, экономическую осуществимость, долгосрочную жизнеспособность бактерий, адгезия поведение карбоната кальция и полиморфизм.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Chou CW, Aydilek A, Seagren E, Maugel T (ноябрь 2008 г.). «Бактериальное осаждение кальцита посредством уреолиза». Американское общество микробиологии.
  2. ^ а б c d Хенце Дж., Рэндалл Д.Г. (август 2018 г.). «Микробное осаждение карбоната кальция при повышенных значениях pH (> 11) с использованием Sporosarcina pasteurii». Журнал экологической химической инженерии. 6 (4): 5008–5013. Дои:10.1016 / j.jece.2018.07.046.
  3. ^ а б c Бхадури С., Дебнатх Н., Митра С., Лю Й., Кумар А. (апрель 2016 г.). «Микробиологически индуцированное осаждение кальцита, опосредованное Sporosarcina pasteurii». Журнал визуализированных экспериментов (110). Дои:10.3791/53253. ЧВК  4941918. PMID  27167458.
  4. ^ а б c «Оптимизация использования бактерий Sporosarcina pasteurii для повышения жесткости песка». www.envirobiotechjournals.com. Получено 2020-05-04.
  5. ^ а б c d е ж грамм час 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. Дои:10.1007 / s11274-018-2552-2. PMID  30387067.
  6. ^ а б c d е ж грамм Ма Л., Панг А.П., Ло И, Лу Х, Лин Ф (январь 2020 г.). «Благоприятные факторы для биоминерализации уреолитической бактерией Sporosarcina pasteurii». Фабрики микробных клеток. 19 (1): 12. Дои:10.1186 / s12934-020-1281-z. ЧВК  6979283. PMID  31973723.
  7. ^ Holcim Awards 2008 Африка Ближний Восток "Новое поколение" 1-е место: Архитектура против опустынивания "Дюна", Сокото, Нигерия, Награды Holcim. Проверено 20 февраля 2010 года.
  8. ^ Магнус Ларссон: архитектор дюн, TED.com. Проверено 20 февраля 2010 года.
  9. ^ bioMason @Green Challenge
  10. ^ 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. Дои:10,3390 / кристалл8110438.

Внешняя ссылка