Sporosarcina pasteurii - Sporosarcina pasteurii

Sporosarcina pasteurii
Vědecká klasifikace
Doména:
Bakterie
Divize:
Firmicutes
Třída:
Bacilli
Objednat:
Bacillales
Rodina:
Planococcaceae
Rod:
Sporosarcina
Druh:
Sporosarcina pasteurii

Bergey 2004

Sporosarcina pasteurii dříve známý jako Bacillus pasteurii ze starších taxonomie, je grampozitivní bakterie se schopností srážení kalcit a zpevnit písek daný a vápník zdroj a močovina; prostřednictvím procesu mikrobiologicky indukované srážení kalcitu (MICP) nebo biologické cementace.[1] S. pasteurii bylo navrženo použití jako ekologicky nezávadný biologický stavební materiál. Je to běžně používaný pro MICP, protože je nepatogenní a je schopen produkovat vysoké množství enzymu ureáza který hydrolyzuje močovinu na uhličitan a amoniak.[2]

Fyziologie

S. pasteurii je gram pozitivní bakterie, která má v přírodě tvar tyčinky. Má schopnost formovat se endospory ve správných podmínkách prostředí zlepšit jeho přežití, což je pro něj charakteristické bacil třída.[3] Má rozměry 0,5 až 1,2 mikronu na šířku a 1,3 až 4,0 mikronu na délku. Protože to je alkalifil, daří se mu v základních prostředích s pH 9-10. Dokáže přežít relativně drsné podmínky až do pH 11,2.[2]

Metabolismus a růst

S. pasteurii jsou půdní fakultativní anaeroby to jsou heterotrofní a pro růst vyžadují močovinu a amonium.[4] Amoniak se používá k tomu, aby substráty mohly procházet přes buněčná membrána do cely.[4] Močovina se používá jako zdroj dusíku a uhlíku pro bakterii. S. pasteurii jsou schopni vyvolat hydrolýza močoviny a používat ji jako zdroj energie při výrobě a vylučování ureáza enzym. Enzym hydrolyzuje močovinu za vzniku uhličitanu a amoniaku. Během této hydrolýzy se provádí několik dalších spontánních reakcí. Karbamát je hydrolyzován na kyselina uhličitá a amoniak a poté dále hydrolyzován na amonium a hydrogenuhličitan.[2] Tento proces způsobí, že se pH reakce zvýší o 1–2 pH, čímž se prostředí stane zásaditějším, což podporuje podmínky, v nichž se této konkrétní bakterii daří.[5] Udržování média s tímto pH může být nákladné pro produkci této bakterie ve velkém měřítku pro biocementaci. Rychlost růstu společnosti může ovlivnit celá řada faktorů S. pasteurii. To zahrnuje nalezení optimální teploty, pH, koncentrace močoviny, hustoty bakterií, hladiny kyslíku atd.[5] Bylo zjištěno, že optimální teplota růstu je 30 ° C, ale to je nezávislé na ostatních přítomných faktorech prostředí.[3] Od té doby S. pastuerii jsou halotolerant mohou růst v přítomnosti nízkých koncentrací vodných chloridových iontů, které jsou dostatečně nízké, aby neinhibovaly růst bakteriálních buněk.[5] To ukazuje slibné aplikace pro MICP použití.

Genomické vlastnosti

Celý genom z S. pasteurii NCTC4822 byl sekvenován a hlášen pod NCBI přístupové číslo: NZ_UGYZ01000000. S chromozóm délku 3,3 Mb, obsahuje kódování 3 036 proteinů geny a má Obsah GC o 39,17%.[6] Když se vypočítá poměr známých funkčních genů k neznámým genům, bakterie vykazuje nejvyšší poměry pro transport, metabolismus a transkripci. Vysoký podíl těchto funkcí umožňuje přeměnu močoviny na uhličitanové ionty, která je nezbytná pro bio-mineralizace proces.[6] Bakterie má sedm identifikovaných genů, které přímo souvisejí s aktivitou ureázy a sestavením, které lze dále studovat, aby poskytly informace o maximalizaci produkce ureázy pro optimalizaci využití S. pasteurii v průmyslových aplikacích.[6]

Aplikace s MICP

S. pasteurii mají jedinečnou schopnost hydrolýzy močoviny a prostřednictvím řady reakcí produkují uhličitanové ionty. To se provádí vylučováním velkého množství ureázy prostřednictvím buněčná membrána.[3] Když je bakterie umístěna do prostředí bohatého na kalcit, negativně nabité uhličitanové ionty reagují s pozitivními kovovými ionty, jako je vápník, aby se vysrážely uhličitan vápenatý nebo bio-cement.[2] Uhličitan vápenatý může být poté použit jako sraženina nebo může být krystalizován jako kalcit na částice cementového písku dohromady. Proto když se dostane do prostředí chloridu vápenatého, S. pasteurii jsou schopni přežít, protože jsou halotolerant a alkalifilové. Vzhledem k tomu, že bakterie zůstávají neporušené během drsných mineralizace podmínky, jsou robustní a nesou negativní povrchový náboj, slouží jako dobré nukleační místa pro MICP.[6] Negativně nabitá buněčná stěna bakterie poskytuje místo interakce pro tvorbu pozitivně nabitých kationtů minerály. Rozsah této interakce závisí na řadě faktorů, včetně charakteristik buněčného povrchu, množství peptidoglykan, amidace úroveň bezplatného karboxylu a dostupnost teichoové kyseliny.[5] S. pasteurii vykazují vysoce negativní povrchový náboj což lze ukázat jako vysoce negativní zeta potenciál -67 mV ve srovnání s nemineralizujícími bakteriemi E. coli, S. aureus a B. subtilis při -28, -26 a -40,8 mV.[6] Kromě všech těchto výhod směrem k používání S. pasteurii pro MICP existují omezení, jako je nevyvinuté technické měřítko, nežádoucí vedlejší produkty, nekontrolovaný růst nebo závislost na podmínkách růstu, jako jsou koncentrace močoviny nebo kyslíku.[6]

Současné a potenciální aplikace

Dezertifikace příkladem jsou písečné duny postupující dál Nouakchott, hlavní město Mauretánie

S. pasteurii mají účel zlepšovat konstrukční materiál jako v beton nebo minomet. Beton je jedním z nejpoužívanějších materiálů na světě, ale je náchylný k tvorbě trhlin, jejichž oprava může být nákladná. Jedním z řešení je vložit tuto bakterii do trhlin a jakmile je aktivována pomocí MICP. Minerály vytvoří a opraví mezeru trvalým způsobem, který je šetrný k životnímu prostředí. Jednou nevýhodou je, že tato technika je možná pouze pro vnější povrchy, které jsou dosažitelné.[5]

Jinou aplikací je použití S. pasteurii v biologickém samoléčení betonu, které zahrnuje implementaci bakterie do beton matrice během přípravy betonu k hojení mikrotrhlin. To má výhodu minimálního lidského zásahu a získá se trvanlivější beton s vyššími pevnost v tlaku.[5]

Jedno omezení použití této bakterie pro bio-mineralizace je to, že i když je to fakultativní anaerobní v nepřítomnosti kyslíku není bakterie schopna syntetizovat ureázu anaerobně. Nedostatek kyslíku také brání MICP, protože jeho iniciace závisí do značné míry na kyslíku. Proto na místech vzdálených od místa vpichu nebo ve velkých hloubkách pravděpodobnost srážek klesá.[6] Jednou z možných řešení je spojit tuto bakterii v biocementu se sloučeninami uvolňujícími kyslík (ORC), které se obvykle používají bioremediace a odstranění znečišťující látky z půdy.[5] Díky této kombinaci lze snížit nedostatek kyslíku a MICP lze optimalizovat s bakterií.

Některé konkrétní příklady současných aplikací zahrnují:

  • Student architektury Magnus Larsson zvítězil v roce 2008 Cena Holcim „Nová generace“ první cena pro region Afrika Blízký východ za projekt „Dune anti-dezertifikace architektura, Sokoto, Nigérie “a jeho návrh obytné zdi.[7] Larssons také představil návrh na TED.[8]
  • Ginger Krieg Dosier Unikátní biotechnologická start-upová společnost bioMason v Raleighu v NC vyvinula metodu pěstování cihel z Sporosarcina pasteurii a přirozeně hojné materiály. V roce 2013 tato společnost zvítězila v soutěži Cradle to Cradle Innovation Challenge (která zahrnovala cenu 125 000 $) a v holandské poštovní směrovací loterii Green Challenge (která zahrnovala cenu 500 000 eur).[9]

Mezi další potenciální aplikace patří:

  • Použijte bakterie ke zpevnění zkapalnitelných půd v oblastech náchylných k zemětřesení.
  • Formulář bio cihly
  • Stabilizovat bažiny a bažiny
  • Snižte míru osídlení budov[4]
  • Odstraňte těžké kovy z odpadních vod[10]

Uvažováním o použití této bakterie v průmyslových aplikacích je potenciál zvětšení, ekonomická proveditelnost, dlouhodobá životaschopnost bakterií, přilnavost chování uhličitanu vápenatého a polymorfismus.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ Chou CW, Aydilek A, Seagren E, Maugel T (listopad 2008). „Bakteriálně indukované srážení kalcitu pomocí ureolýzy“. Americká společnost pro mikrobiologii.
  2. ^ A b C d Henze J, Randall DG (srpen 2018). "Mikrobiálně indukované srážení uhličitanu vápenatého při zvýšených hodnotách pH (> 11) za použití Sporosarcina pasteurii". Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (4): 5008–5013. doi:10.1016 / j.jece.2018.07.046.
  3. ^ A b C Bhaduri S, Debnath N, Mitra S, Liu Y, Kumar A (duben 2016). „Mikrobiologicky indukované srážení kalcitu zprostředkované Sporosarcina pasteurii“. Žurnál vizualizovaných experimentů (110). doi:10.3791/53253. PMC  4941918. PMID  27167458.
  4. ^ A b C „Optimalizace využití bakterií sporosarcina pasteurii k vyztužení písku“. www.envirobiotechjournals.com. Citováno 2020-05-04.
  5. ^ A b C d E F G h Seifan M, Berenjian A (listopad 2018). "Aplikace mikrobiálně indukovaného srážení uhličitanu vápenatého při navrhování biologicky samoléčivého betonu". World Journal of Microbiology & Biotechnology. 34 (11): 168. doi:10.1007 / s11274-018-2552-2. PMID  30387067.
  6. ^ A b C d E F G Ma L, Pang AP, Luo Y, Lu X, Lin F (leden 2020). "Přínosné faktory pro biomineralizaci ureolytickou bakterií Sporosarcina pasteurii". Továrny na mikrobiální buňky. 19 (1): 12. doi:10.1186 / s12934-020-1281-z. PMC  6979283. PMID  31973723.
  7. ^ Holcim Awards 2008 Afrika Střední východ „Nová generace“ 1. cena: Dune anti-desertifikace, Sokoto, Nigérie, Ocenění Holcim. Vyvolány 20 February 2010.
  8. ^ Magnus Larsson: Dune architekt, TED.com. Vyvolány 20 February 2010.
  9. ^ biomason @ Zelená výzva
  10. ^ Torres-Aravena, Álvaro Esteban; Duarte-Nass, Carla; Azócar, Laura; Mella-Herrera, Rodrigo; Rivas, Mariella; Jeison, David (listopad 2018). „Lze mikrobiálně indukované srážení kalcitu (MICP) urolytickou cestou úspěšně použít k odstraňování těžkých kovů z odpadních vod?“. Krystaly. 8 (11): 438. doi:10,3390 / krystaly8110438.

Externí odkazy