Mit einem Rasterkraftmikroskop konnten die Forscher:innen den Einfluss der Stickstoffquelle im Wasser auf den molekularen Prozess der Zinkeliminierung nachweisen. Diese Ergebnisse, die vielversprechende Perspektiven für Anwendungen in der Biorestaurierung eröffnen, wurden in Environmental Pollution veröffentlicht.
Schematische Darstellung des Mechanismus der Zinkbeseitigung durch die Mikroalgen Parachlorella kessleri.
In Anwesenheit von Stickstoff in Form von Ammonium nimmt die Zelle kein Zink auf.
In Anwesenheit von Stickstoff in Form von Nitraten scheidet die Zelle extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) aus, die starke Wechselwirkungen mit Zink aufweisen.
© TBI
Mikroalgen haben ihre Fähigkeit gezeigt, die Umwelt zu reinigen, insbesondere Schwermetalle aus verschmutztem Wasser zu entfernen. Bislang war jedoch der molekulare Mechanismus dieses Prozesses wenig verstanden. Um die Entwicklung von Sanierungstechniken unter Einsatz von Mikroalgen zu fördern, hat ein Team des Toulouse Biotechnology Institute (TBI, CNRS/INRAE/INSA Toulouse) untersucht, wie eine Mikroalge, Parachlorella kessleri, die aus einem verschmutzten Fluss in Argentinien entnommen wurde, Zink eliminieren kann.
Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem Labor für Analyse und Systemarchitektur (LAAS-CNRS), dem Labor für Verfahrenstechnik - Umwelt - Lebensmitteltechnologie (GEPEA, CNRS/Nantes Université/Oniris Nantes) und argentinischen Forschern der Universität General de San Martin durchgeführt.
In Flüssen, die durch industrielle oder landwirtschaftliche Abwässer verschmutzt sind, kann Stickstoff in Form von Nitrat oder Ammonium vorkommen. Die Forscher untersuchten das veränderte Verhalten dieser Mikroalgen in Abhängigkeit von der Stickstoffquelle im Wasser. Das Hauptinstrument für diese Studie war ein Rasterkraftmikroskop (AFM), das es ermöglicht, die Rauheit und die nanomechanischen Eigenschaften der Zelloberfläche sowie die Stärke der Wechselwirkungen zwischen der Zelloberfläche und den umgebenden chemischen Spezies zu messen.
Die Studie zeigte zunächst, dass nur Zellen, die mit Nitrat kultiviert wurden, extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) produzierten – Makromoleküle, die von Mikroalgen unter bestimmten Kulturbedingungen ausgeschieden werden. Mikroalgen, die mit Ammonium kultiviert wurden, produzierten keine EPS. AFM-Kraftspektroskopie-Experimente bestätigten anschließend die starke Bindung von Zink an EPS in Zellen, die mit Nitrat kultiviert wurden, während die Wechselwirkungen bei Zellen mit Ammoniumkultur schwächer oder gar nicht vorhanden waren.
Die Exposition gegenüber Zink verändert außerdem die Rauheit und nanomechanischen Eigenschaften der Zelloberfläche. Darüber hinaus zeigte die Raman-Spektroskopie, dass die Mikroalgen je nach Stickstoffquelle unterschiedliche Stoffwechselreaktionen (Produktion von Chlorophyll, Carotinoiden und Lipiden) aufwiesen, wobei Zellen, die mit Nitrat kultiviert wurden, nach der Zinkexposition veränderte Profile zeigten.
Diese Ergebnisse verdeutlichen die Schlüsselrolle der Metalladsorption durch EPS bei der Zinkeliminierung durch P. kessleri-Zellen. Die Regulierung der Stickstoffquellen sollte daher die Produktion von EPS fördern, wodurch vielversprechende Perspektiven für Biorestaurierungsanwendungen eröffnet werden. Die Forschungspartner setzen die Untersuchung des Potenzials von Mikroalgen fort und richten ihre Studien auf andere neuartige Schadstoffe aus: Antibiotika aus der Tierhaltung, die in Kläranlagen schwer zu entfernen sind, und Mikroplastik.
Referenzen:
Investigating the role of extracellular polymeric substances produced by Parachlorella kessleri in Zn(II) bioremediation using atomic force microscopy.
Victoria Passucci, Ophélie Thomas-Chemin, Omar Dib, Antony Ali Assaf, Marie-José Durand, Etienne Dague, Maria Mar Areco, and Cécile Formosa-Dague.
Environmental Pollution, Dezember 2024.
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.125082
Artikel verfügbar im Open-Access-Archiv HAL