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Main Title: Cylindrospermopsin transformation by manganese-oxidizing bacteria
Translated Title: Cylindrospermopsin-Transformation durch Mangan-oxidierende Bakterien
Author(s): Martínez Ruiz, Erika Berenice
Advisor(s): Szewzyk, Ulrich
Referee(s): Szewzyk, Ulrich
Pichardo Sánchez, Silvia
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Cylindrospermopsin is a highly persistent and toxic alkaloid toxin produced by cyanobacteria. Information regarding biological transformation of cylindrospermopsin is scarce, only a few cylindrospermopsin -removing microbial isolates and communities have been described, and so far, transformation products of biological processes have not been identified. Owing to the ability to remove a variety of pollutants, manganese-oxidizing bacteria have been proposed as a potential biological tool to remove diverse pollutants from water. In the present study, we investigated cylindrospermopsin transformation by different MOB isolated from natural and technical systems under diverse growth conditions. Tested manganese-oxidizing bacteria were Pseudomonas sp. strain OF001, Ideonella sp. strains A288 and A226, and Rubrivivax sp. strain A210. Cylindrospermopsin at an environmentally relevant concentration of 120 µg L-1 was removed in a range from 25 to 100% after 3 to 28 days of incubation when MnCO3 was used as the Mn2+ source in the media with cylindrospermopsin removal rates between 0.38 and 37.01 µg L-1 day- 1. In the absence of Mn2+, cylindrospermopsin removal by all the tested MOB was zero or lower than 20%. For the detection of cylindrospermopsin transformation products, the four strains were incubated with 7 mg L-1 of CYN for 4 to 34 days, depending on the growth rate of each strain. All tested manganese-oxidizing bacteria removed cylindrospermopsin to concentrations below the detection limit at rates ranging from 0.48 to 3.16 mg L-1 day-1. Pseudomonas sp. OF001 was the fastest tested MOB removing 100% of cylindrospermopsin concentration within three days, while Rubrivivax sp. A210, and Ideonella sp. A288 and A226 removed 100% of cylindrospermopsin within 14 to 21 days. For all four manganese-oxidizing bacteria strains the same seven transformation products were detected and identified via mass spectrometric analysis (LC-MS/MS) and using an inclusion list of previously described transformation products of abiotic reactions, and further analysis of their fragmentation patterns. These results suggest that MOB follow a general mechanism for cylindrospermopsin transformation. The mixture of transformation products was tested for their hepatotoxicity using HepG2 and HepaRG cell lines. The transformation products exhibit negligible toxicity in both cell lines in comparison to pure cylindrospermopsin and controls without cylindrospermopsin. The genome of Pseudomonas sp. OF001, and Rubrivivax sp. A210 were analysed to identify in silico the enzymes responsible for the oxidation of Mn2+, and to determine their metabolic potential. These strains were selected due to the removal efficiency of nearly 100% when environmentally relevant concentrations of cylindrospermopsin were used, and for the differences observed on the growth and removal requirements. For instance, strain OF001 required yeast extract as additional carbon source for the removal of cylindrospermopsin, but strain A210 transformed cylindrospermopsin in mineral media. Strain OF001 encodes enzymes with high similarity to the Mn2+ oxidases in P. putida GB-1, while strain A210 encodes enzymes with high similarity to the Mn2+ oxidase in Leptothrix discophora SS-1. Both strains have the metabolic potential to grow over a wide range of O2 concentrations, fix nitrogen, and reduce nitrate and sulfate in an assimilatory manner. In addition, the strain A210 encodes genes which may convey the ability to reduce nitrate in a dissimilatory manner, and fix carbon via the Calvin cycle. Moreover, strains OF001 and A210 have the metabolic potential to remove aromatic compounds via the catechol meta- and ortho-cleavage pathway, respectively. Considering the efficient removal of cylindrospermopsin by the tested strains, manganese-oxidizing bacteria might be used for water treatment to remove cylindrospermopsin and might contribute to the natural removal of cylindrospermopsin in freshwater systems.
Cylindrospermopsin ist ein hoch persistentes Alkaloid-Toxin, das von Cyanobakterien produziert wird und besonders hepatotoxisch wirkt. Über den mikrobiellen Abbau von Cylindrospermopsin ist nur wenig bekannt und für die wenigen bekannten CYN-abbauende mikrobiellen Isolate und Gemeinschaften konnten bisher keine Transformationsprodukte identifiziert werden. Für Mangan-oxidierende Bakterien wurde gezeigt, dass sie eine Vielzahl von Schadstoffen mittels reaktiver Manganspezies entfernen können. Bisher war jedoch nicht bekannt, ob Mangan-oxidierende Bakterien auch Cylindrospermopsin über diesen Mechanismus entfernen können. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss verschiedener Mangan-oxidierende Bakterien Stämme auf Cylindrospermopsin untersucht. Die getestete Mangan-oxidierende Bakterien Stämme waren Pseudomonas sp. Stamm OF001, Ideonella sp. Stämme A288 und A226 sowie Rubrivivax sp. Stamm A210 und stammen aus technischen oder natürlichen Süßwasser Systemen. Die Mangan-oxidierende Bakterien Stämme wurden in Anwesenheit einer umweltrelevanten Cylindrospermopsin Konzentration von 120 µg L-1 in An- und Abwesenheit von Manganquellen inkubiert. Nach 3 bis 28 Tagen Inkubation wurden je nach getestetem Stamm 25 bis 100% Cylindrospermopsin durch MOB entfernt, mit Abbauraten zwischen 0.38 and 37.01 µg L-1 day-1, wenn MnCO3 als Mn2+-Quelle in den Medien verwendet wurde. In Abwesenheit von Mn2+ wurde Cylindrospermopsin je nach Stamm zu weniger als 20% oder gar nicht entfernt. Zum Nachweis von Cylindrospermopsin-Transformationsprodukten wurden die vier Stämme mit 7 mg L-1 Cylindrospermopsin in Abhängigkeit der Wachstumsrate der Stämme für 4 bis 34 Tage inkubiert. Bei dieser höheren Cylindrospermopsin Konzentration entfernten alle getesteten Mangan-oxidierende Bakterien Cylindrospermopsin bis unterhalb der Nachweisgrenze von Cylindrospermopsin mit Raten zwischen 0,48 und 3,16 mg L-1 Tag-1 und gehören damit die höchsten Cylindrospermopsin Abbauraten dir für mikorbiellen Abbau beschrieben worden sind. Pseudomonas sp. OF001 zeigte dabei die höchsten Cylindrospermopsin Transformationsrate mit einer Transformation von 100% der ursprünglich eingesetzten Cylindrospermopsin-Konzentration innerhalb von drei Tagen. Rubrivivax sp. A210 sowie Ideonella sp. A288 und A226 transformierten 100% der ursprünglich eingesetzten Cylindrospermopsin-Konzentration innerhalb von 14 bis 21 Tagen. Für alle vier Mangan-oxidierende Bakterien -Stämme konnten die gleichen sieben Transformationsprodukte mittels massenspektrometrischer Analyse (LC-MS/MS), der Verwendung bereits beschriebener Transformationsprodukte abiotischer Reaktionen und der weiteren Analyse ihrer Fragmentierungsmuster nachgewiesen und identifiziert werden. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Mangan-oxidierende Bakterien einem änlichen. Mechanismus für die Cylindrospermopsin-Transformation folgen. Um zu untersuchen ob von den Transformationsprodukten eine geringere hepatotoxische Wirkung ausgeht wurde die Mischung der Transformationsprodukte mit HepG2- und HepaRG-Zelllinien getestet. Die Transformationsprodukte wiesen in beiden Zelllinien im Vergleich zu reinem Cylindrospermopsin und Kontrollen ohne Cylindrospermopsin eine vernachlässigbare Toxizität auf. Obwohl alle Mangan-oxidierende Bakterien Stämme die gleichen Transformationsprodukte bilden, zeigten sich jedoch in der Kultivierung entscheidenden Unterschieden zwischen den Stämmen. So konnte Stamm A210 im Gegensatz zu den anderen Stämmen Cylindrospermopsin auch in minimal Medium ohne zusätzliche organische Kohlenstoffquellen umsetzen. Um die metabolischen Grundlagen für diese Unterschiede zu verstehen und eine bessere Kenntnis der Enzyme, die für den Manganoxidationsmechanismus verantwortlich sind zu erhalten, wurden die Genome von Pseudomonas sp. OF001 und Rubrivivax sp. A210 wurde analysiert. Stamm OF001 kodiert Enzyme mit hoher Ähnlichkeit zu Mn2+-Oxidasen aus P. putida GB-1, während der Stamm A210 Enzyme mit hoher Ähnlichkeit zur Mn2+-Oxidase aus Leptothrix discophora SS-1 kodiert. Beide Stämme haben das metabolische Potenzial, über einen weiten Bereich von O2-Konzentrationen zu wachsen, Stickstoff zu fixieren und Nitrat und Sulfat auf assimilatorische Weise zu reduzieren. Darüber hinaus kodiert der Stamm A210 Gene, die Stamm A210 erlauben könnten, Nitrat in einer dissimilatorischen Weise zu reduzieren und Kohlenstoff über den Calvin-Zyklus zu fixieren. Darüber hinaus haben die Stämme OF001 und A210 das metabolische Potenzial, aromatische Verbindungen über den Brenzcatechin meta- beziehungsweise ortho-Weg zu entfernen. In Anbetracht der effizienten Entfernung von Cylindrospermopsin durch die getesteten Stämme könnten Mangan-oxidierende Bakterien zur Wasserbehandlung zur Entfernung von Cylindrospermopsin eingesetzt werden und zur natürlichen Entfernung von Cylindrospermopsin in Süßwassersystemen beitragen. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass Mangan-oxidierende Bakterien zur biotechnologischen Entfernung von Cylindrospermopsin geeignet sein könnten und zudem eine wichtige Rolle in natürlichen Abbauprozessen von Cylindrospermopsin in Süßwassersystemen spielen könnten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12818
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11618
Exam Date: 3-Mar-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 15-Apr-2021
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): cyanotoxins
Manganese oxidation
biogenic oxides
toxicity
metabolic potential
Cyanotoxine
Manganoxidation
biogene Oxide
Toxizität
Stoffwechsel Potential
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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