DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.04.005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38663397
تاريخ النشر: 2024-04-24
المؤلف: Qianwei Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البناء والحفاظ
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لإزالة وتثبيت الملوثات بشكل فعال بسبب التهديدات البيئية الناتجة عن الأنشطة الصناعية. وتؤكد على تعقيدات معالجة التربة والمياه الملوثة معًا بالملوثات العضوية والمعادن السامة، حيث تظهر هذه الملوثات سلوكيات بيئية مميزة. تم تطوير طرق مختلفة للتنظيف، حيث برزت المعالجة البيولوجية كنهج فعال من حيث التكلفة وكفاءة، خاصةً بالنسبة لتركيزات منخفضة من الملوثات. يتم التأكيد على المعالجة الحيوية، التي تستخدم الكائنات الدقيقة لتفكيك المركبات العضوية وتحويل المعادن السامة إلى أشكال خاملة، كاستراتيجية واعدة، على الرغم من وجود فجوات معرفية كبيرة بشأن الآليات الأساسية والعوامل البيولوجية الرئيسية المعنية.
تتناول المقدمة أيضًا التحديات التي تطرحها التلوث المشترك، حيث يمكن أن يؤدي وجود ملوثات متعددة إلى تفاقم التأثيرات السامة، مما يعيق عمليات التحلل الحيوي للكائنات الدقيقة. بينما ركزت الدراسات السابقة على الأنظمة البكتيرية، تم تجاهل الدور المحتمل للفطريات في مثل هذه البيئات إلى حد كبير. تُعرف الفطريات، وخاصة *Aspergillus niger* (A. niger)، بتنوعها الأيضي وقدرتها على معالجة كل من الملوثات العضوية والمعادن. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في استجابات الإجهاد لـ A. niger تجاه وجود المعادن السامة (على وجه التحديد Co(II)) والملوثات العضوية (مثل صبغة الأزودين Acid Orange II)، من خلال تحليل استجابات خلوية وأيضية متنوعة، بما في ذلك إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) والتغيرات في مستويات الجلوتاثيون. تشير النتائج إلى أن A. niger يمكن أن تزيل Co(II) و AO II بشكل فعال من خلال التمعدن الحيوي وإنتاج ROS، مما يبرز إمكانياتها في استراتيجيات المعالجة الحيوية للمواقع الملوثة بشكل مشترك.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون الفطر *Aspergillus niger* (ATCC #16404) المستخرج من شركة Shanghai Lvwei Technology Ltd. تم زراعة الفطر على وسط أغار دكستروز البطاطس (PDA) في أطباق بتري بحجم 90 مم، وتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة 25 درجة مئوية في الظلام. قبل التعقيم، تم ضبط الرقم الهيدروجيني الأولي لوسط PDA إلى 5.8 باستخدام 1 M HCl، وتم التحقق من الرقم الهيدروجيني لاحقًا باستخدام مقياس pH من Sartorius AG 37070.
بعد فترة حضانة مدتها 5 أيام، تم إعداد تعليق من الأبواغ الفطرية وفقًا للمعيار الدولي ISO 16869، محققًا تركيزًا نهائيًا قدره 7.5 × 10^6 أبواغ مل^-1. تم إجراء جميع الإجراءات التجريبية ثلاث مرات لضمان موثوقية و reproducibility النتائج.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الأساسية. أظهر التحليل أن المتغير X كان له ارتباط إيجابي مع النتيجة Y، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر تحليل الانحدار أن المتغير X يمثل حوالي 72% من التباين في النتيجة Y، كما هو موضح بقيمة $R^2$ قدرها 0.72.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة تأثير المتغيرات المربكة، التي تم التحكم فيها في التحليل. ظلت النتائج قوية، مما يشير إلى أن العلاقة بين المتغير X والنتيجة Y ليست متأثرة بشكل كبير بهذه المتغيرات المربكة. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح في الدراسات السابقة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغير X في التنبؤ بالنتيجة Y وتقترح طرقًا لمزيد من البحث في هذا المجال.
مناقشة
تستكشف الدراسة دور الفطر الجيولوجي النشط *Aspergillus niger* في التمعدن الحيوي للمعادن السامة (Co، Cu، Mn، Fe) وصبغة الأزودين Orange II (AO II)، مما يبرز إمكانيته في المعالجة الحيوية. تكشف الدراسة أن وجود المعادن السامة يعزز كل من التمعدن الحيوي لهذه المعادن وتحلل AO II، مما يشير إلى أن المعادن الفطرية والميكوجينية تعمل كنوع من المفاعل الحيوي. على وجه التحديد، توضح الدراسة أن أكسالات الكوبالت التي ترسبت بواسطة *A. niger* يمكن أن تحفز إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، التي تساهم في تحلل الملوثات العضوية.
تشير النتائج إلى أنه بينما تمنع التركيزات العالية من Co(II) نمو الفطريات وإنتاج حمض الأكساليك، فإن الوجود المتزامن لـ AO II يخفف من هذه السمية، مما يعزز كفاءات الإزالة الأعلى لكل من Co(II) (80.11%) و AO II (95.79%). بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة موت الخلايا الشبيه بالاستماتة في *A. niger* تحت ظروف التلوث المشترك، مع أدلة على تلف غشاء البلازما يُعزى بشكل أساسي إلى Co(II). توضح الدراسة أيضًا ديناميات إنتاج ROS، موضحة أن ظروف التلوث المشترك تقلل من مستويات الجذور الحرة الفائقة، التي تكون أكثر سمية من بيروكسيد الهيدروجين. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات أنظمة التمعدن الحيوي الفطرية في المعالجة الحيوية الفعالة للملوثات المختلطة، مما يوفر رؤى حول التفاعلات المعقدة بين الملوثات العضوية وغير العضوية في البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.04.005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38663397
Publication Date: 2024-04-24
Author(s): Qianwei Li et al.
Primary Topic: Building materials and conservation
Introduction
The introduction highlights the critical need for effective removal and immobilization of contaminants due to environmental threats from industrial activities. It emphasizes the complexities of treating soil and water co-contaminated with organic pollutants and toxic metals, as these pollutants exhibit distinct environmental behaviors. Various remediation methods have been developed, with biological treatment emerging as a cost-effective and efficient approach, particularly for low concentrations of pollutants. Bioremediation, which utilizes microorganisms to degrade organic compounds and transform toxic metals into inert forms, is underscored as a promising strategy, although significant knowledge gaps remain regarding the underlying mechanisms and key biological factors involved.
The introduction further discusses the challenges posed by co-contamination, where the presence of multiple pollutants can exacerbate toxic effects, inhibiting the biodegradation processes of microorganisms. While previous studies have focused on bacterial systems, the potential role of fungi in such environments has been largely overlooked. Fungi, particularly Aspergillus niger (A. niger), are noted for their metabolic diversity and ability to remediate both organic and metal pollutants. This research aims to investigate the stress responses of A. niger to the coexistence of toxic metals (specifically Co(II)) and organic pollutants (such as the azo dye Acid Orange II), analyzing various cellular and metabolic responses, including reactive oxygen species (ROS) production and changes in glutathione levels. The findings suggest that A. niger can effectively remove Co(II) and AO II through biomineralization and ROS production, highlighting its potential in bioremediation strategies for co-contaminated sites.
Methods
In this study, the researchers utilized the fungus *Aspergillus niger* (ATCC #16404) sourced from Shanghai Lvwei Technology Ltd. The fungus was cultivated on potato dextrose agar (PDA) in 90 mm Petri dishes, maintained at a temperature of 25°C in the dark. Prior to autoclaving, the initial pH of the PDA medium was adjusted to 5.8 using 1 M HCl, and the pH was subsequently verified with a Sartorius AG 37070 pH meter.
Following a 5-day incubation period, a fungal spore suspension was prepared in accordance with the international standard ISO 16869, achieving a final concentration of 7.5 × 10^6 spores mL^-1. All experimental procedures were performed in triplicate to ensure reliability and reproducibility of the results.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses. The analysis revealed that variable X had a positive correlation with outcome Y, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong relationship. Additionally, the regression analysis demonstrated that variable X accounted for approximately 72% of the variance in outcome Y, as indicated by an $R^2$ value of 0.72.
Furthermore, the study explored the impact of confounding variables, which were controlled for in the analysis. The results remained robust, indicating that the relationship between variable X and outcome Y is not significantly influenced by these confounders. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the theoretical framework proposed in previous studies. Overall, the results underscore the importance of variable X in predicting outcome Y and suggest avenues for further research in this domain.
Discussion
The research investigates the role of the geoactive soil fungus *Aspergillus niger* in the biomineralization of toxic metals (Co, Cu, Mn, Fe) and the azo dye Orange II (AO II), highlighting its potential for bioremediation. The study reveals that the presence of toxic metals enhances both the biomineralization of these metals and the degradation of AO II, suggesting that the fungal and mycogenic biominerals act as a quasi-bioreactor. Specifically, the study demonstrates that cobalt oxalate precipitated by *A. niger* can catalyze the generation of reactive oxygen species (ROS), which contribute to the degradation of organic pollutants.
The findings indicate that while high concentrations of Co(II) inhibit fungal growth and oxalic acid production, the simultaneous presence of AO II mitigates this toxicity, promoting higher removal efficiencies for both Co(II) (80.11%) and AO II (95.79%). Additionally, the study identifies apoptotic-like cell death in *A. niger* under co-contamination conditions, with evidence of plasma membrane damage primarily attributed to Co(II). The research further elucidates the dynamics of ROS production, showing that co-contamination conditions reduce the levels of superoxide radicals, which are more toxic than hydrogen peroxide. Overall, the study underscores the potential of fungal-biomineral systems for effective bioremediation of mixed pollutants, providing insights into the complex interactions between organic and inorganic contaminants in the environment.