Halomonas titanicae — это грамотрицательный , галофильный вид бактерий , который был выделен в 2010 году из трутовиков , извлеченных из обломков RMS Titanic . [1] Генриетта Манн, одна из исследователей, которая впервые выделила его, подсчитала, что действие микробов, таких как H. titanicae, может привести к полному разрушению Титаника к 2030 году. [2] Хотя бактерии были идентифицированы как потенциальная опасность для нефтяных вышек и других искусственных объектов в глубоком море, они также могут быть использованы в биоремедиации для ускорения разложения затонувших кораблей, засоряющих дно океана. [3] [4]
Halomonas titanicae — грамотрицательная палочковидная бактерия, которая производит перитрихиальные жгутики . Она каталазо- и оксидазоположительна . Было обнаружено, что она образует биопленки , а некоторые штаммы способны окислять тиосульфат, что регулируется кворум-сенсорикой . [5] Она способна выдерживать высокое осмотическое давление благодаря производству таких молекул, как эктоин , гидроксиэктоин, бетаин и глицин. [6] [7]
H. titanicae участвует в коррозии стали, восстанавливая Fe(III) до Fe(II) , когда кислород недоступен в качестве акцептора электронов . Однако в аэробных условиях он помогает подавлять коррозию, потребляя растворенный кислород. [8] В случае с Титаником и другими затонувшими кораблями бактерии ускоряют коррозию этих конструкций, поскольку уровень растворенного кислорода на глубине океана очень низок. [9]
Штамм H. titanicae BH1T — это тип бактерий, который относится к более крупной категории Bacteria , в частности, к типу Proteobacteria и классу Gammaproteobacteria . В схеме классификации он относится к категории Oceanospirillales , в частности, к семейству Halomonadaceae и роду Halomonas . [10] Ученые обнаружили эту бактерию в ржавчинных грибах, собранных с обломков RMS Titanic . [10] Они сравнили ее генетический материал с другими бактериями и обнаружили, что она тесно связана (98,6%) с другой бактерией, называемой Halomonas neptunia, в отношении сравнения последовательности гена 16S рРНК . [10] Семейство включает в себя разнообразные галофильные бактерии, встречающиеся в морской среде. Бактерии Halomonas, включая H. titanicae, предпочитают соленые места обитания и, как правило, не представляют угрозы для других организмов. [10]
Бактерия Halomonas titanicae была обнаружена в результате изучения обломков RMS Titanic и того, как микробная деградация влияет на форму затонувшего корабля. Бактерия была обнаружена исследовательской группой под руководством доктора Генриетты Манн, в которую входили ученые из Университета Далхаузи в Галифаксе , Канада , и Университета Севильи в Испании , а также международные партнеры. Им было интересно узнать, что вызвало ухудшение состояния Титаника, затонувшего в Северной Атлантике в 1912 году. Она была обнаружена при изучении ржавчин, которые представляют собой сосулькообразные структуры, которые можно увидеть на обломках Титаника. Рустиклы являются результатом работы бактерий, которые поглощают легкие металлы, такие как железо, на судне, оставляя ржавчину в качестве отхода. [10] Экипаж собрал эти ржавчины во время водолазной экспедиции к обломкам. После первоначального открытия было собрано больше образцов из нескольких экспедиций на место крушения Титаника. После проведения микробиологического и генетического анализа им удалось выделить новый вид бактерий.
Для выделения штамма образец многократно наносили штрихами на среду Bacto marine agar 2216 (Difco). [10] Этот метод был направлен на получение чистой культуры путем разделения отдельных бактериальных колоний. Выбор морского агара предполагает предпочтение галофильных или галотолерантных бактерий, поскольку морской агар обычно содержит высокие уровни соли, подходящие для их роста. [10] Использование морского агара подразумевает, что он действовал как селективная среда для галофильных бактерий, поскольку он известен своим высоким содержанием соли, имитируя соленые условия морской среды. Таким образом, процесс изоляции, вероятно, способствовал росту галофильных бактерий, присутствующих в образцах Rusticle . Бактерия была официально идентифицирована и названа в исследовании, опубликованном в 2010 году Санчесом-Порро.
H. titanicae, известная как грамотрицательная бактерия , которая получает питательные вещества из органических источников и процветает в средах с большим количеством кислорода. Таким образом, она демонстрирует гетеротрофное поведение в этих аэробных условиях. Она показывает умеренную толерантность к соли, лучше всего растет в растворах, содержащих от 0,5% до 25% NaCl , при этом идеальное развитие происходит при уровнях NaCl от 2% до 8%. [11] Дополнительные исследования Ли показывают, что эта бактерия лучше всего растет при температурах от 30°C до 37°C и предпочитает слегка щелочной pH в диапазоне от 7,0 до 7,5. Она в основном получает энергию из органических соединений и может использовать различные источники углерода, такие как ацетат , глюкоза , глицерин и лактоза . Кроме того, она подвергается дыхательному метаболизму и вырабатывает ферменты, такие как каталаза и оксидаза . [10]
Геном H. titanicae BH1 демонстрирует гены, связанные с коррозией металлов. [12] Кроме того, присутствуют многочисленные металлопептидазы . Также обнаружены нитратредуктазы , указывающие на способность осуществлять анаэробное дыхание. [12]
H. titanicae произошел от образцов Rusticle, полученных с места затопления Титаника. Rusticle — это биоконкреционные структуры, образованные консорциумом микроорганизмов. Бактерия связана с богатыми соленой водой местообитаниями, а также с глубоководной средой. Она играет роль в разложении органического вещества и процессах круговорота питательных веществ в экстремальных условиях. Она вносит вклад в динамику микробного сообщества глубоководной среды. [10]
H. titanicae демонстрирует высокую компетентность в использовании тиосульфата , тем самым влияя на цикл серы в этих суровых местах обитания. При более внимательном изучении его генетического состава становится очевидным, что эта бактерия содержит специфические гены, ответственные за окисление тиосульфата, в частности ферменты, называемые TsdA и TsdB. [13] Эти ферменты играют ключевую роль в процессе окисления с образованием тетратионата , обеспечивая альтернативный источник энергии, получаемый из соединений с серой . [13] Такие генетические активы намекают на стратегическую адаптацию H. titanicae , позволяя ему процветать среди динамической химической среды гидротермальных источников . Кроме того, признаки возможных сетей связи между микроорганизмами в геноме намекают на сложную нормативную базу, регулирующую распад тиосульфата. [13] В целом, способность H. titanicae к окислению серы подчеркивает ее важность в биогеохимии серы в глубоководных гидротермальных экосистемах, подчеркивая ее экологическую значимость в суровых условиях.
Устойчивость этого микроорганизма в экстремальных морских условиях завораживает исследователей, особенно его участие в деградации подводных металлических конструкций. Способность H. titanicae адаптироваться к окружающей среде включает взаимодействие с факторами окружающей среды, в частности, с акцепторами электронов, такими как кислород и железо . [14] В средах, богатых кислородом, H. titanicae использует метаболический подход, который ограничивает коррозию, модулируя концентрацию кислорода в растворе, тем самым препятствуя коррозионным процессам. [14] Наоборот, в условиях без кислорода эта бактерия ускоряет коррозию, вызывая химические реакции, которые разрушают защитные слои на металлических поверхностях. [14] H. titanicae скорректировал свои метаболические процессы, используя твердое Fe(III) в качестве акцептора электронов, что привело к его накоплению на поверхности стали EH40. [14] Этот метаболический сдвиг вызвал восстановление Fe(III), постепенно заставляя поверхностную пленку со временем деградировать и обнажать свежие участки, тем самым ускоряя процесс коррозии. [14] Кроме того, развитие микробной пленки увеличило препятствие для диффузии динатрийцитрата , что потенциально привело к истощению углерода среди бактерий в непосредственной близости от поверхности. [14] В результате эта метаболическая адаптация способствовала локальной коррозии, поощряя использование H 2 в качестве донора электронов в микросреде. [14] Механизмы коррозии, наблюдаемые у H. titanicae, подчеркивают сложное взаимодействие между микробной активностью и деградацией металла в морских экосистемах. Получение информации о нюансах динамики коррозии имеет решающее значение для разработки эффективных стратегий управления и смягчения коррозионных повреждений в подводных сооружениях, включая исторически значимые артефакты, такие как Титаник.
Геномный анализ H. titanicae дает глубокое понимание механизмов адаптации бактерии и ее выживания в экстремальных условиях. Полностью секвенированные геномы штаммов SOB56 и BH1, каждый из которых имеет кольцевую хромосому с содержанием G+C приблизительно 54,6% и более 4700 кодирующих последовательностей , включают гены, критически важные для процветания в соленой и богатой металлами среде обитания. [13] Эти геномные особенности подчеркивают способность бактерии справляться с осмотическим стрессом и токсичностью металлов , что имеет решающее значение для ее существования в высокосоленой среде.
Дальнейшее изучение раскрывает филогеномную уникальность H. titanicae . Эта уникальность относится к особым эволюционным чертам и генетическим адаптациям, которые отличают эту бактерию от ее ближайших филогенетических родственников. Например, очевидны уникальные кластеры генов, связанные с осморегуляцией и устойчивостью к металлам, а также специализированные пути использования сложных субстратов в условиях солености. [15] Эти геномные идеи являются не только маркерами надежной адаптации, но и подчеркивают эволюционные инновации, которые позволяют H. titanicae использовать нишевые среды обитания, характеризующиеся экстремальными абиотическими стрессорами.
Филогеномный анализ проливает свет на эволюционные пути, которые позволили H. titanicae развить такие специализированные адаптации, иллюстрируя более широкий эволюционный контекст в пределах рода Halomonas . [15] Картографируя эти уникальные генетические сигнатуры, исследователи получают ценные перспективы относительно механизмов выживания и адаптации микробов в суровых условиях, прокладывая путь для инновационных приложений в биотехнологии и управлении окружающей средой. Такие подробные геномные и филогеномные исследования имеют решающее значение для дальнейшего понимания экстремофилов и использования их возможностей для промышленных и экологических приложений. [13] [15]
Изучение потенциала H. titanicae как полезного агента в аквакультуре возникло из-за его особой экологической адаптивности и метаболических возможностей. Учитывая его предпочтение соленой среды и способность противостоять различным стрессорам, H. titanicae представляет собой многообещающего кандидата для использования в качестве пробиотика в аквакультуре . [16] Его устойчивость к осмотическому стрессу и его разнообразные метаболические пути для использования органических соединений предполагают потенциальные преимущества для модуляции микробиоты кишечника и повышения устойчивости и здоровья водных видов. [16] Исследователи сосредоточились на иммунных тканях в кишечнике, стремясь повысить устойчивость водных видов к вредным патогенам и способствовать общему благополучию. [16]
Дальнейшие исследования показывают многообещающие результаты, такие как исследование, демонстрирующее, что включение H. titanicae HT-Tc3 в рацион тюрбо значительно увеличивает темпы роста, активность кишечных ферментов и иммунную функцию. [17] Заметные изменения в составе микробиома кишечника , включая повышение уровня полезных комменсальных бактерий , были отмечены при введении H. titanicae . [17] Он также продемонстрировал повышенную устойчивость к болезням и установил длительное присутствие в кишечнике, сохраняя свои пробиотические преимущества даже после прекращения использования. [17] Это подчеркивает его потенциал как ценного актива в аквакультурных операциях.
Эти результаты способствуют пониманию сложного взаимодействия между микробиотой кишечника, иммунитетом и здоровьем хозяина у водных видов. Текущие исследования подчеркивают важность изучения сложных механизмов, связанных с пробиотиками, полученными из H. titanicae , что необходимо для оптимизации их использования в аквакультуре и, в конечном итоге, для улучшения управления болезнями и устойчивых методов аквакультуры.
Титаник — культурный и исторический объект, несущий в себе истории человечества. Все более быстрое разрушение Титаника из-за H. titanicae и подобных бактерий выступает за сохранение подводного культурного наследия. Понимание и потенциальный контроль таких бактерий может помочь в разработке стратегий по защите и сохранению важных подводных артефактов.
Биокоррозия, вызванная такими бактериями, как H. titanicae, имеет более широкие последствия для различных отраслей промышленности, таких как нефтегазовая. Эти отрасли часто сталкиваются с проблемами деградации материалов в морской среде, что приводит к экономическим потерям и потенциальным опасностям для окружающей среды. [10] Изучая эти бактерии, исследователи могут разрабатывать новые материалы и покрытия, устойчивые к биокоррозии, тем самым увеличивая долговечность и безопасность морских сооружений и судов. [10]