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イオン性およびナノ酸化亜鉛暴露に対する河川バイオフィルムコミュニティの応答に関するメタトランスクリプトームの洞察
Metatranscriptomic Insights Into the Response of River Biofilm Communities to Ionic and Nano-Zinc Oxide Exposures.
PMID: 32174897 PMCID: PMC7055177. DOI: 10.3389/fmicb.2020.00267.
抄録
製造された酸化亜鉛ナノ粒子（ZnO-NP）は、パーソナルケアや工業製品に広く世界中で使用されており、水生環境の重要な汚染物質である。水生生態系上のZnO-NP汚染の全体的な影響を理解するために、水生生物膜上の毒性の調査は、バイオフィルムがNP汚染物質のための既知の吸収源であることを考えると、特に重要である。環境に関連する ZnO-NP 暴露の結果として河川微生物バイオフィルム群集の機能活性の変化を評価するために、バイオフィルムは 188 μg l Zn の総濃度で、コーティングされていない（親水性）、シラン（疎水性）またはステアリン酸（親油性）でコーティングされたイオン性亜鉛塩または ZnOPs に曝露された。バイオフィルムのICP-MS分析は、親水性、疎水性、および親油性処理は、それぞれバイオフィルムの0.310、0.250、および0.220μg Zn cmに達し、バイオフィルムの走査透過型X線マイクロスペクトロスコピー（STXM）分析は、Znが広範囲に、異なる方法でバイオフィルム材料に吸収されていることを確認しながら、バイオフィルムにZnO-NPが濃縮されていることを示した。mRNA配列の分類学的系列化と原生動物とマイクロメタゾアの列挙に基づく微生物群集構成は、これらの処理によって影響を受けず、また、一般的な細胞維持とハウスキーピングに関与する細胞プロセスが豊富に転写されていたため、すべての実験暴露に対するバイオフィルムの総転写応答は、グローバルな毒性応答を示すものではなかった。光合成、エネルギー代謝、窒素代謝、脂質代謝、膜輸送、抗生物質耐性および外来生物分解を含む主要な生物学的プロセスに関連する転写物は、対照と比較してZn曝露で異なる発現した。特に、窒素固定と光合成に関与する転写物は、脂質分解と機動性-ケモタクシスに関連する転写物が増加したが、Zn曝露に応答して豊富に減少した、バイオフィルムの溶解におけるZnの潜在的な役割を示唆している。ＺｎＯ-ＮＰとイオン性Ｚｎ暴露は、一般的に重複する転写応答を誘発したが、親水性と疎水性ＺｎＯ-ＮＰは、低イオン性Ｚｎ暴露と同様の効果を持っていた親油性ＺｎＯ-ＮＰのそれよりもより明確な効果を誘導した。ZnO-NPの物理的なコーティングは、群集レベルで観察可能な特定の毒性を誘導することはできませんが、光合成と窒素循環の生態学的に重要なプロセスの変化は、イオン性ZnとZn酸化物への暴露の重要な潜在的な結果である。
Manufactured Zn oxide nanoparticle (ZnO-NP) are extensively used world-wide in personal care and industrial products and are important contaminants of aquatic environments. To understand the overall impact of ZnO-NP contamination on aquatic ecosystems, investigation of their toxicity on aquatic biofilms is of particular consequence, given biofilms are known sinks for NP contaminants. In order to assess alterations in the functional activity of river microbial biofilm communities as a result of environmentally-relevant ZnO-NP exposure, biofilms were exposed to ionic zinc salt or ZnOPs that were uncoated (hydrophilic), coated with silane (hydrophobic) or stearic acid (lipophilic), at a total concentration of 188 μg l Zn. ICP-MS analyses of biofilms indicated ZnO-NP concentrated in the biofilms, with hydrophilic, hydrophobic, and lipophilic treatments reaching 0.310, 0.250, and 0.220 μg Zn cm of biofilm, respectively, while scanning transmission X-ray microspectroscopy (STXM) analyses of biofilms confirmed that Zn was extensively- and differentially-sorbed to biofilm material. Microbial community composition, based on taxonomic affiliation of mRNA sequences and enumeration of protozoa and micrometazoa, was not affected by these treatments, and the total transcriptional response of biofilms to all experimental exposures was not indicative of a global toxic-response, as cellular processes involved in general cell maintenance and housekeeping were abundantly transcribed. Transcripts related to major biological processes, including photosynthesis, energy metabolism, nitrogen metabolism, lipid metabolism, membrane transport, antibiotic resistance and xenobiotic degradation, were differentially expressed in Zn-exposures relative to controls. Notably, transcripts involved in nitrogen fixation and photosynthesis were decreased in abundance in response to Zn-exposure, while transcripts related to lipid degradation and motility-chemotaxis were increased, suggesting a potential role of Zn in biofilm dissolution. ZnO-NP and ionic Zn exposures elicited generally overlapping transcriptional responses, however hydrophilic and hydrophobic ZnO-NPs induced a more distinct effect than that of lipophilic ZnO-NPs, which had an effect similar to that of low ionic Zn exposure. While the physical coating of ZnO-NP may not induce specific toxicity observable at a community level, alteration of ecologically important processes of photosynthesis and nitrogen cycling are an important potential consequence of exposure to ionic Zn and Zn oxides.
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