Halomonas titanicae — это грамотрицательный галофильныйвид бактерий , выделенный в 2010 году из остатков , обнаруженных на месте крушения Титаника . [1] Генриетта Манн, одна из исследователей, впервые изолировавших его, подсчитала, что действие микробов, таких как Halomonas titanicae, может привести к полному разрушению Титаника к 2030 году. [2] Хотя бактерии были идентифицированы как Они представляют собой потенциальную опасность для нефтяных вышек и других искусственных объектов в глубоководных водах. Они также могут быть использованы в биоремедиации для ускорения разложения затонувших кораблей, засоряющих дно океана. [3] [4]
Halomonas titanicae — грамотрицательная палочковидная бактерия, образующая перитрихиальные жгутики . Он является каталазо- и оксидазо- положительным. Было обнаружено, что он образует биопленки , а некоторые штаммы способны к окислению тиосульфата, которое регулируется чувством кворума . [5] Он способен выдерживать высокое осмотическое давление благодаря производству таких молекул, как эктоин , гидроксиэктоин, бетаин и глицин. [6] [7]
Halomonas titanicae участвует в коррозии стали, восстанавливая Fe(III) до Fe(II), когда кислород недоступен в качестве акцептора электронов. Однако в аэробных условиях он помогает ингибировать коррозию за счет потребления растворенного кислорода. [8] В случае с Титаником и другими кораблекрушениями бактерии ускоряют коррозию этих структур, поскольку уровень растворенного кислорода глубоко в океане очень низок. [9]
Штамм Halomonas titanicae BH1T представляет собой тип бактерий, который относится к более широкой категории бактерий , в частности к типу Proteobacteria и классу Gammaproteobacteria . В схеме классификации он подпадает под категорию Oceanospirillales , в частности, в семействе Halomonadaceae и роде Halomonas . [10] Ученые обнаружили эту бактерию в ржавчине, собранной с обломков Титаника . [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 разнообразные галофильные бактерии, обитающие в морской среде. Бактерии Halomonas, в том числе H. titanicae, предпочитают соленую среду обитания и обычно не представляют угрозы для других организмов. [10]
Открытие бактерии Halomonas titanicae стало результатом изучения обломков Титаника и того, как микробная деградация влияет на форму затонувшего корабля. Бактерия была обнаружена исследовательской группой, которую возглавляла доктор Генриетта Манн и в которую входили ученые из Университета Далхаузи в Галифаксе , Канада , и Севильского университета в Испании , а также международные партнеры. Им было интересно узнать, что стало причиной разрушения «Титаника», затонувшего в Северной Атлантике в 1912 году. Это было обнаружено при исследовании рустиков, которые представляют собой структуры, похожие на сосульки, которые можно увидеть на обломках «Титаника». Рустиклы — это результат работы бактерий, которые поглощают на корабле легкие металлы, такие как железо, оставляя ржавчину в качестве отходов. [10] Экипаж собрал эти предметы во время водолазной экспедиции к обломкам. После первоначального открытия в ходе нескольких экспедиций на место Титаника было собрано больше образцов. После некоторого микробиологического и генетического анализа им удалось выделить новый вид бактерий.
Для выделения штамма образец повторно наносили штрихами на морскую агаровую среду Bacto 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 действует как селективная среда для галофильных бактерий, поскольку он известен своим высоким содержанием солей, имитируя соленые условия морской среды. Таким образом, процесс выделения, вероятно, способствовал росту галофильных бактерий, присутствующих в образцах ржавчины . Бактерия была официально идентифицирована и названа в исследовании, опубликованном в 2010 году Санчесом-Порро.
Halomonas titanicae, известная как грамотрицательная бактерия , которая получает питательные вещества из органических источников и процветает в среде с большим количеством кислорода. Таким образом, он демонстрирует гетеротрофное поведение в этих аэробных условиях. Он демонстрирует умеренную толерантность к соли, лучше всего растет в растворах, содержащих от 0,5% до 25% NaCl , а идеальное развитие происходит при уровнях NaCl от 2% до 8%. [11] Дополнительные исследования Ли показывают, что эта бактерия лучше всего растет при температуре от 30°C до 37°C и предпочитает слегка щелочной pH в диапазоне от 7,0 до 7,5. Он в основном получает энергию из органических соединений и может использовать различные источники углерода, такие как ацетат , глюкоза , глицерин и лактоза . Кроме того, он подвергается дыхательному метаболизму и вырабатывает такие ферменты, как каталаза и оксидаза . [10]
Геном H. titanicae BH1 содержит гены, связанные с коррозией металлов. [12] Кроме того, присутствуют многочисленные металлопептидазы . Выявляются также нитратредуктазы , свидетельствующие о способности осуществлять анаэробное дыхание. [12]
H. titanicae произошел из образцов ржавчины, полученных с места расположения Титаника. Рустиклы представляют собой биоконкретные структуры, образованные консорциумом микроорганизмов. Бактерия связана с богатой соленой средой обитания, а также с глубоководной средой. Он играет роль в разложении органических веществ и процессах круговорота питательных веществ в экстремальных условиях. Это способствует динамике микробного сообщества глубоководной среды. [10]
H. titanicae демонстрирует высокую компетентность в использовании тиосульфата , тем самым влияя на цикл серы в этих суровых средах обитания. При более внимательном изучении ее 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, позволяющую ему процветать в динамичной химической среде гидротермальных источников . Более того, признаки возможных сетей связи между микроорганизмами внутри генома намекают на сложную нормативную базу, регулирующую распад тиосульфата. [13] В целом, способность H. titanicae к окислению серы подчеркивает ее важность для вклада в биогеохимию серы глубоководных гидротермальных экосистем, подчеркивая ее экологическую значимость в суровых условиях.
Устойчивость этого микроорганизма в экстремальных морских условиях привлекает исследователей, особенно его участие в разрушении затопленных металлических конструкций. Способность H. titanicae адаптироваться к окружающей среде включает сложные взаимодействия с факторами окружающей среды, особенно с рецепторами электронов, такими как кислород и железо . [14] В средах, богатых кислородом, H. titanicae использует метаболический подход, который ограничивает коррозию путем регулирования концентрации кислорода в растворе, тем самым препятствуя коррозионным процессам. [14] И наоборот, в условиях отсутствия кислорода эта бактерия ускоряет коррозию, вызывая химические реакции, которые разрушают защитные слои на металлических поверхностях. [14] H. titanicae скорректировал свои метаболические процессы, используя твердый Fe(III) в качестве акцептора электронов , что привело к его накоплению на поверхности стали EH40. [14] Этот метаболический сдвиг вызвал снижение содержания Fe(III), постепенно заставляя поверхностную пленку разрушаться с течением времени и обнажая свежие участки, тем самым ускоряя процесс коррозии. [14] Кроме того, образование микробной пленки увеличивало препятствия для диффузии цитрата натрия , что потенциально приводило к истощению углерода среди бактерий, находящихся в непосредственной близости от поверхности. [14] В результате эта метаболическая адаптация способствовала локализованной коррозии, стимулируя использование H2 в качестве донора электронов в микроокружении. [14] Механизмы коррозии, наблюдаемые у H. titanicae, подчеркивают сложное взаимодействие между микробной активностью и деградацией металлов в морских экосистемах. Получение понимания нюансов динамики коррозии имеет решающее значение для разработки эффективных стратегий по управлению и смягчению коррозионных повреждений подводных сооружений, 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 примерно 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 средах с высоким содержанием соли.
Дальнейшее исследование выявляет филогеномную уникальность H. titanicae . Эта уникальность относится к четким 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 солевых условиях. [15] Эти геномные открытия являются не только маркерами устойчивой адаптации, но и подчеркивают эволюционные инновации, которые позволяют H. titanicae использовать нишевые среды обитания, характеризующиеся экстремальными абиотическими стрессорами.
Филогеномный анализ проливает свет на пути эволюции, которые позволили H. titanicae развить такие специализированные адаптации, иллюстрируя более широкий эволюционный контекст внутри рода Halomonas . [15] Сопоставляя эти уникальные генетические характеристики, исследователи получают ценную информацию о механизмах выживания и адаптации микробов в суровых условиях, открывая путь для инновационных применений в биотехнологии и управлении окружающей средой. Такие подробные геномные и филогеномные исследования имеют решающее значение для углубления нашего понимания экстремофилов и использования их возможностей для промышленного и экологического применения. [13] [15]
Изучение потенциала H. titanicae как полезного агента в аквакультуре стало возможным благодаря его отличной адаптации к окружающей среде и метаболическим способностям. Учитывая предпочтение соленой среды и способность противостоять различным стрессорам, H. titanicae представляет собой многообещающего кандидата для использования пробиотиков в аквакультуре . [16] Его устойчивость к осмотическому стрессу и разнообразные метаболические пути использования органических соединений предполагают потенциальные преимущества для модуляции микробиоты кишечника и повышения устойчивости и здоровья водных видов. [16] Исследователи сосредоточили свое внимание на иммунных тканях кишечника, стремясь повысить устойчивость водных видов к вредным патогенам и способствовать общему благополучию. [16]
Дальнейшие исследования показывают многообещающие результаты, например, исследование, демонстрирующее, что включение H. titanicae HT-Tc3 в рацион тюрбо значительно увеличивает скорость роста, активность кишечных ферментов и иммунную функцию. [17] После введения H. titanicae наблюдались примечательные изменения в составе микробиома кишечника , включая повышение уровня полезных комменсальных бактерий . [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 сфере аквакультуры .
Эти результаты способствуют пониманию сложной взаимосвязи между микробиотой кишечника, иммунитетом и здоровьем хозяина у водных видов. Продолжающиеся исследования подчеркивают важность изучения сложных механизмов, связанных с пробиотиками, полученными из H. titanicae , необходимых для оптимизации их использования в аквакультуре и, в конечном итоге, способствующих улучшению борьбы с болезнями и устойчивой практике аквакультуры.
Титаник — культурный и исторический объект, несущий в себе истории человеческой истории. Все более быстрое разрушение Титаника из-за H. titanicae и подобных бактерий свидетельствует о необходимости сохранения подводного культурного наследия. Понимание и потенциальный контроль над такими бактериями может помочь в разработке стратегий по защите и сохранению важных подводных артефактов.
Биокоррозия, вызываемая такими бактериями, как H. titanicae, имеет более широкие последствия для различных отраслей промышленности, таких как нефть и газ . Этим отраслям часто приходится сталкиваться с проблемами деградации материалов в морской среде, что приводит к экономическим потерям и потенциальным экологическим опасностям. [10] Изучая эти бактерии, исследователи смогут разработать новые материалы и покрытия, устойчивые к биокоррозии, тем самым увеличивая долговечность и безопасность морских конструкций и судов. [10]