DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1744505
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568042
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Yanjie Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الكروم وإعادة التأهيل البيئي
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة القضايا البيئية الملحة المتعلقة بتلوث التتراسيكلين (TC) والرصاص (Pb)، مع تسليط الضوء على إمكانية الترميم الميكروبي كحل مستدام. نجحت الدراسة في عزل بكتيريا فعالة للغاية في إذابة الفوسفات، Microbacterium sp. CZ-M3، من موقع ملوث، حيث أظهرت قدرة على إذابة الفوسفات تصل إلى 125.46 ملغ/لتر، مما يمثل زيادة بنسبة 69.1% مقارنة بالسلالة الضابطة. أظهرت CZ-M3 تحملًا كبيرًا للإجهاد، حيث حققت معدلات إزالة تصل إلى 57.36% للتتراسيكلين بتركيز 200 ملغ/لتر و28.5% للرصاص بتركيز 1,000 ملغ/لتر Pb²⁺ على مدى 72 ساعة، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمعالجة التلوث المشترك للتتراسيكلين والرصاص.
كشفت التحقيقات الآلية أنه تحت ضغط الملوثات، أعادت CZ-M3 برمجة استقلابها، مما زاد بشكل ملحوظ من إفراز حمض الطرطريك والمواد البوليمرية خارج الخلوية (EPS). وجدت الدراسة أن التركيزات العالية من التتراسيكلين حفزت تثبيت الرصاص من خلال تعزيز تكوين راسب الفوسفات الرصاص المستقر (مثل Pb₅(PO₄)₃Cl) وزيادة تعقيد Pb²⁺ من خلال حمض الطرطريك وEPS. من المهم أن البحث حدد تأثيرًا متضادًا يعتمد على التركيز بين التتراسيكلين وPb²⁺، حيث عمل التتراسيكلين كإشارة إجهاد نشطت تثبيت الرصاص، بينما inhibited التركيزات العالية من Pb²⁺ النشاط البكتيري. توفر هذه الدراسة رؤى قيمة حول استجابات الميكروبات التكيفية للتلوث المعقد وتضع الأساس لتطوير استراتيجيات الترميم البيولوجي المتقدمة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضايا البيئية والصحية الملحة التي تطرحها الملوثات السامة المستمرة، وخاصة التلوث المشترك للتتراسيكلين (TC) والرصاص (Pb). مع تقدير استهلاك المضادات الحيوية عالميًا بين 1 إلى 2 × 10^5 طن سنويًا، يؤدي الاستخدام الواسع للتتراسيكلين في الرعاية الصحية والزراعة إلى إطلاق بيئي كبير، بشكل أساسي من خلال المواد البرازية. يتميز الرصاص بسميته العالية وإمكانية تراكمه الحيوي، وغالبًا ما يتواجد مع التتراسيكلين في البيئات الزراعية، مما يعقد سيناريوهات التلوث بسبب تفاعلاتهما، التي يمكن أن تغير من توفر المعادن الحيوية.
لمعالجة هذه التحديات، يظهر الترميم البيولوجي كاستراتيجية مستدامة وفعالة، خاصة من خلال تقنيات الترميم الميكروبي. يمكن أن تخفف الكائنات الحية الدقيقة من التلوث المشترك عبر آليات مختلفة، بما في ذلك الامتصاص والتحويل الإنزيمي، مما يقلل من سمية الملوثات ويحمي الخلايا الميكروبية من الضرر. تؤكد المقدمة على الحاجة إلى مزيد من البحث حول تحمل الميكروبات وآليات الترميم تحت التلوث المشترك للتتراسيكلين والرصاص، مع التركيز بشكل خاص على الكائنات الحية الدقيقة التي تذيب الفوسفات (PSM). يمكن أن تعزز هذه الكائنات الحية الدقيقة من تحلل التتراسيكلين وتثبيت المعادن الثقيلة من خلال الأنشطة الأيضية التي تطلق الفوسفور القابل للذوبان والأحماض العضوية. تهدف الدراسة إلى تحديد PSM عالية الكفاءة لترميم التتراسيكلين والرصاص واستكشاف تكيفاتها الأيضية وتأثيراتها التآزرية تحت ظروف التلوث المشترك، مما يسهم في تحسين استراتيجيات الترميم البيولوجي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخراج الحمض النووي الجيني باستخدام مجموعة FastDNA SPIN (Bio Teke، الصين)، وفقًا للمنهجية الموضحة بواسطة Zhou et al. (2018). لتكبير جين 16S rRNA، تم استخدام البرايمرات 27F (5′-AGA GTTTGAT CMTGCTCAG-3′) و1492R (5′-CRGYTACCTGTTACGA-3′)، كما هو موضح بواسطة Biswas et al. (2018).
بعد التكبير، تم تحليل تسلسلات النوكليوتيدات التي تم الحصول عليها باستخدام برنامج BLAST لتحديد السلالات. ثم تم بناء العلاقات النشوء والتطور بين السلالات المحددة باستخدام برنامج MEGA7.0، كما أشار إليه Zhang et al. (2023). تسمح هذه الطريقة المنهجية بفهم شامل للتنوع الجيني والعلاقات التطورية للسلالات المدروسة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تشير الاختبارات الإحصائية إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في العلاقة بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مما يدعم الفرضيات الأولية.
تؤكد المناقشة الإضافية للنتائج على التطبيقات العملية لهذه النتائج في المجال المعني. كما يتم تناول الآثار على الأبحاث المستقبلية، مما يشير إلى أن المزيد من الاستكشاف مطلوب لفهم الآليات الأساسية التي تحرك العلاقات الملحوظة. بشكل عام، تسهم النتائج في رؤى قيمة تعزز الفهم الحالي للموضوع.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل سلالتين من البكتيريا التي تذيب الفوسفات، CZ-M3 وCZ-B5، من التربة الملوثة بالقرب من مصنع مبيدات حشرية وتم التعرف عليهما من خلال تسلسل جين 16S rRNA. أظهرت CZ-M3، التي تم التعرف عليها كـ *Microbacterium sp.*، قدرات متفوقة في إذابة الفوسفات، حيث حققت معدل إذابة فوسفات أعلى بنسبة 69.1% من CZ-B5 في وسط PVK. أظهرت كلا السلالتين تحملًا لتركيزات مختلفة من التتراسيكلين (TC) والرصاص (Pb²⁺)، مع إظهار CZ-M3 مقاومة أكبر وكفاءة إزالة لكلا الملوثين. تم تحديد ظروف النمو المثلى لـ CZ-M3 عند pH 7.0 و30 درجة مئوية، بينما تم تقييم فعاليتها في الترميم تحت سيناريوهات مختلفة من التلوث المشترك للتتراسيكلين والرصاص.
تم توضيح آليات الترميم لـ CZ-M3، مع تسليط الضوء على دور إفراز الأحماض العضوية، وخاصة حمض الطرطريك، في تعزيز تثبيت Pb²⁺ من خلال تكوين راسب الفوسفات الرصاص المستقر. تحت ظروف الضغط، تحولت المسارات الأيضية لـ CZ-M3، مما أدى إلى زيادة إفراز الأحماض العضوية والمواد البوليمرية خارج الخلوية (EPS)، التي سهلت امتصاص وتعقيد الملوثات. خلصت الدراسة إلى أن CZ-M3 تستخدم نهجًا متعدد الآليات لترميم التلوث المشترك للتتراسيكلين والرصاص بشكل فعال، بما في ذلك ترسيب الفوسفات، وتعقيد الوسيط الحمضي العضوي، وامتصاص الوسيط EPS، مما يظهر إمكاناتها لتطبيقات الترميم البيولوجي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1744505
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568042
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Yanjie Zhou et al.
Primary Topic: Chromium effects and bioremediation
Overview
This research addresses the pressing environmental issues of tetracycline (TC) and lead (Pb) contamination, highlighting the potential of microbial remediation as a sustainable solution. The study successfully isolated a highly efficient phosphate-solubilizing bacterium, Microbacterium sp. CZ-M3, from a contaminated site, demonstrating a phosphate solubilization capacity of 125.46 mg/L, which is a 69.1% increase compared to the control strain. CZ-M3 exhibited significant stress tolerance, achieving removal rates of 57.36% for 200 mg/L TC and 28.5% for 1,000 mg/L Pb²⁺ over 72 hours, making it a promising candidate for addressing TC-Pb co-contamination.
Mechanistic investigations revealed that under contaminant stress, CZ-M3 reprogrammed its metabolism, notably increasing the secretion of tartaric acid and extracellular polymeric substances (EPS). The study found that high concentrations of TC stimulated Pb immobilization by promoting the formation of stable Pb-phosphate precipitates (e.g., Pb₅(PO₄)₃Cl) and enhancing the complexation of Pb²⁺ through tartaric acid and EPS. Importantly, the research identified a concentration-dependent antagonistic effect between TC and Pb²⁺, where TC acted as a stress signal that activated Pb immobilization, while high Pb²⁺ concentrations inhibited bacterial activity. This work provides valuable insights into microbial adaptive responses to complex pollution and lays the groundwork for developing advanced bioremediation strategies.
Introduction
The introduction highlights the pressing environmental and health issues posed by persistent toxic pollutants, specifically the co-contamination of tetracycline (TC) and lead (Pb). With global antibiotic consumption estimated at 1 to 2 × 10^5 tons annually, TC’s widespread use in healthcare and agriculture leads to significant environmental release, primarily through fecal matter. Pb, characterized by its high toxicity and bioaccumulation potential, often coexists with TC in agricultural settings, complicating contamination scenarios due to their interactions, which can alter metal bioavailability.
To address these challenges, bioremediation emerges as a sustainable and effective strategy, particularly through microbial remediation technologies. Microorganisms can mitigate co-contamination via various mechanisms, including adsorption and enzymatic transformation, which not only reduce pollutant toxicity but also protect microbial cells from damage. The introduction emphasizes the need for further research on microbial tolerance and remediation mechanisms under TC-Pb co-contamination, particularly focusing on phosphate-solubilizing microorganisms (PSM). These microorganisms can enhance TC hydrolysis and immobilize heavy metals through metabolic activities that release soluble phosphorus and organic acids. The study aims to identify high-efficiency PSM for TC and Pb remediation and to explore their metabolic adaptations and synergistic effects under co-contaminated conditions, ultimately contributing to improved bioremediation strategies.
Methods
In this study, genomic DNA was extracted using the FastDNA SPIN Kit (Bio Teke, Co., China), following the methodology outlined by Zhou et al. (2018). For the amplification of the 16S rRNA gene, primers 27F (5′-AGA GTTTGAT CMTGCTCAG-3′) and 1492R (5′-CRGYTACCTGTTACGA-3′) were employed, as described by Biswas et al. (2018).
Subsequent to amplification, the nucleotide sequences obtained were analyzed using the BLAST program to identify strains. The phylogenetic relationships among the identified strains were then constructed using MEGA7.0 software, as referenced by Zhang et al. (2023). This methodological approach allows for a comprehensive understanding of the genetic diversity and evolutionary relationships of the strains studied.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the relationship between the independent and dependent variables, supporting the initial hypotheses.
Further discussion of the results emphasizes the practical applications of these findings in the relevant field. The implications for future research are also addressed, suggesting that further exploration is warranted to understand the underlying mechanisms driving the observed relationships. Overall, the results contribute valuable insights that enhance the current understanding of the topic.
Discussion
In this study, two phosphate-solubilizing bacterial strains, CZ-M3 and CZ-B5, were isolated from contaminated soil near a pesticide factory and identified through 16S rRNA gene sequencing. CZ-M3, identified as *Microbacterium sp.*, exhibited superior phosphate solubilization capabilities, achieving a 69.1% higher phosphate solubilization rate than CZ-B5 in PVK medium. Both strains demonstrated tolerance to varying concentrations of tetracycline (TC) and lead (Pb²⁺), with CZ-M3 showing greater resistance and removal efficiency for both contaminants. The optimal growth conditions for CZ-M3 were identified at pH 7.0 and 30 °C, while its remediation efficacy was assessed under different TC-Pb co-contamination scenarios.
The remediation mechanisms of CZ-M3 were elucidated, highlighting the role of organic acid secretion, particularly tartaric acid, in enhancing Pb²⁺ immobilization through the formation of stable lead phosphate precipitates. Under stress conditions, the metabolic pathways of CZ-M3 shifted, leading to increased secretion of organic acids and extracellular polymeric substances (EPS), which facilitated the adsorption and complexation of contaminants. The study concluded that CZ-M3 employs a multi-mechanistic approach to effectively remediate TC-Pb co-contamination, involving phosphate precipitation, organic acid-mediated complexation, and EPS-mediated adsorption, thereby showcasing its potential for bioremediation applications.