Novel arsenic-transforming bacteria and the diversity of their arsenic-related genes and enzymes arising from arsenic-polluted freshwater sediment
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Novas bactérias transformadoras de arsênio e a diversidade de seus genes e enzimas relacionados ao arsênio, provenientes de sedimentos de água doce contaminados com arsênio
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Resumo
As bactérias são essenciais no ciclo do arsênio. No entanto, poucos estudos abordaram a diversidade de genes funcionais relacionados ao rRNA 16S e ao arsênio em sedimentos tropicais contaminados com arsênio a longo prazo. Aqui, utilizando abordagens baseadas em cultura, metagenômica e computacional, descrevemos a diversidade de bactérias, genes e enzimas envolvidos na transformação de AsIII e AsV em sedimentos de água doce e em culturas anaeróbicas de enriquecimento de AsIII e AsV (CEs). O perfil taxonômico revela diferenças significativas entre as comunidades. Arcobacter , Dechloromonas , Sedimentibacter e Clostridium thermopalmarium foram encontrados exclusivamente em CEs, enquanto Anaerobacillus foi restrito a CEs de AsV. Novos táxons que são tanto redutores de AsV quanto oxidantes de AsIII foram identificados: Dechloromonas , Acidovorax facilis , A. delafieldii , Aquabacterium , Shewanella , C. thermopalmarium e Macellibacteroides fermentans . Foram reveladas discrepâncias filogenéticas entre os genes aioA , arsC e arrA e os de outras espécies, indicando transferência horizontal de genes. ArsC e AioA possuem conjuntos de aminoácidos que podem ser usados para avaliar sua integridade funcional e estrutural, bem como seus subgrupos familiares. As posições necessárias para a redução de AsV são conservadas, sugerindo forte pressão seletiva para a manutenção da funcionalidade de ArsC. Em conjunto, essas descobertas destacam o papel das bactérias de sedimentos de água doce na mobilidade do arsênio e a diversidade ainda não explorada de bactérias redutoras e resistentes a arsenato, que podem contribuir para a toxicidade do arsênio em ambientes aquáticos.
Abstract
Bacteria are essential in arsenic cycling. However, few studies have addressed 16S rRNA and arsenic-related functional gene diversity in long-term arsenic-contaminated tropical sediment. Here, using culture-based, metagenomic and computational approaches, we describe the diversity of bacteria, genes and enzymes involved in AsIII and AsV transformation in freshwater sediment and in anaerobic AsIII- and AsV-enrichment cultures (ECs). The taxonomic profile reveals significant differences among the communities. Arcobacter, Dechloromonas, Sedimentibacter and Clostridium thermopalmarium were exclusively found in ECs, whereas Anaerobacillus was restricted to AsV-EC. Novel taxa that are both AsV-reducers and AsIII-oxidizers were identified: Dechloromonas, Acidovorax facilis, A. delafieldii, Aquabacterium, Shewanella, C. thermopalmarium and Macellibacteroides fermentans. Phylogenic discrepancies were revealed among the aioA, arsC and arrA genes and those of other species, indicating horizontal gene transfer. ArsC and AioA have sets of amino acids that can be used to assess their functional and structural integrity and familial subgroups. The positions required for AsV reduction are conserved, suggesting strong selective pressure for maintaining the functionality of ArsC. Altogether, these findings highlight the role of freshwater sediment bacteria in arsenic mobility, and the untapped diversity of dissimilatory arsenate-reducing and arsenate-resistant bacteria, which might contribute to arsenic toxicity in aquatic environments.
Assunto
Arsênio, Bactérias, Água doce, Sedimentos
Palavras-chave
Ciências ambientais, Microbiologia da água
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Endereço externo
https://www.nature.com/articles/s41598-017-11548-8