Izvestiya of Saratov University.

Chemistry. Biology. Ecology

ISSN 1816-9775 (Print)
ISSN 2541-8971 (Online)

For citation:

Kasatkina M. A., Reshetnikov M. V., Pleshakova E. V. A study of the biological and functional properties of microorganisms with high resistance to manganese (II). Izvestiya of Saratov University. Chemistry. Biology. Ecology, 2023, vol. 23, iss. 3, pp. 318-330. DOI: 10.18500/1816-9775-2023-23-3-318-330, EDN: AJAPQI

This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Full text:
download
(downloads: 48)
Language: 
Russian
Heading: 
Biology
Article type: 
Article
UDC: 
579.6:574.24
DOI: 
10.18500/1816-9775-2023-23-3-318-330
EDN: 
AJAPQI

A study of the biological and functional properties of microorganisms with high resistance to manganese (II)

Autors: 
Kasatkina Milena A., Saratov State University
Reshetnikov Maxim V.,
Pleshakova Ekaterina V., Saratov State University
Abstract: 

The issue of water treatment of the central water supply, as well as wastewater, from excessive content of heavy metals (HMs) remains relevant at the present time. The presence of heavy metals, even in trace amounts, has a negative impact not only on the environment, but also on all human organic systems. At the moment, iron and manganese are among the main pollutants entering the human body via drinking water. Studies were carried out on the biological and functional properties of microorganisms isolated from highly magnetic soil, which previously demonstrated high resistance to manganese (II). Microbial strains with maximum resistance to Mn (II) were identifi ed as: Bacillus simplex 55.2, B. simplex 13.2 and Listeria murrayi 13.4. The growth dynamics of B. simplex 55.2 and B. megaterium 69.5 was studied under conditions of periodic cultivation in a liquid medium containing 2 mmol/L Mn (II). It was shown that after 7 day’s cultivation, the weight of the biomass of B. megaterium 69.5 increased by 5.5 times, B. simplex 55.2 increased by 3.7 times relative to the values after 1 day cultivation, the optical density of the culture medium B. megaterium 69.5 increased 4 times, B. simplex 55.2 increased 2 times compared with the initial sowing dose. The specifi c growth rate of B. megaterium 69.5 after 7 days cultivation was higher than that of B. simplex 55.2 by about 2 times, and the degree of removal of Mn (II) from the aquatic environment was less. B. simplex 55.2 reduced the content of Mn (II) by 66%, B. megaterium 69.5 reduced by 50%. It was established that B. megaterium 69.5, B. simplex 55.2, B. simplex 13.2 and L. murrayi 13.4 are able to grow in conditions of high alkalinity and mineralization of the medium (pH 7–10; 10% NaCl). Taking into account that these microorganisms are able to remove high concentrations of Mn (II) from the aquatic environment, they are promising for their use in water treatment biotechnology.

Key words: 
manganese (II) ions
manganese-oxidizing microorganisms
resistance
periodic cultivation
biomass growth
Reference: 
  1. Рустембекова С. А., Барабошкина Т. А. Микроэлементозы и факторы экологического риска / под ред. В. В. Горшкова. М. : Университетская книга ; Логос, 2006. 112 с.
  2. Рябова Э. Г. Содержание тяжёлых металлов в городских водоёмах // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 1. С. 36–40. https://doi.org/10.25750/1995- 4301-2019-1-036-040
  3. Brown M. T., Foos B. P. Assessing children’s exposures and risks to drinking water contaminants: a manganese case study // Human and Ecological Risk Assessment. 2009. Vol. 15, № 5. P. 923–947. https://doi.org/10.1080/10807030903153030
  4. Redwan M., Elhaddad E. Assessment the seasonal variability and enrichment of toxic trace metals pollution in sediments of Damietta branch, Nile river, Egypt // Water. 2020. Vol. 12. Article ID 3359. https://doi.org/10.3390/w12123359
  5. Su C., Jiang Q. L., Zhang W. J. A review on heavy metal contamination in the soil worldwide: Situation, impact and remediation techniques // Environ. Skeptics and Critics. 2014. Vol. 3, № 2. P. 24–38.
  6. Proshad R., Kormoker T., Islam Md. S., Saha B. C., Hossain Md. R., Prince M. H., Khan M. M. An apportionment of arsenic and iron contamination of tube-well groundwater with possible health risk in Bangladesh // Journal of Environment Pollution and Human Health. 2017. Vol. 5, № 3. P. 117–123. https://doi.org/10.12691/jephh-5-3-7
  7. Ashraf M. A., Alam M. N., Islam M. T., Alam M. S. Deterioration of water quality by heavy metal contamination at Mymensingh municipality // Progressive Agriculture. 2007. Vol. 18, № 1. P. 235–242.
  8. Мазунина Д. Л. Негативные эффекты марганца при хроническом поступлении в организм с питьевой водой // Экология человека. 2015. № 3. С. 25–31.
  9. Stepanova N. V., Valeeva E. R., Ziyatdinova A. I., Fomina S. F. Peculiarities of chidren’s risk assessment on ingestion of chemicals with drinking water // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Vol. 7, iss. 3. P. 1677.
  10. Мусаев Ш. Ж., Елисеев Ю. Ю., Луцевич И. Н., Долич В. Н. Гигиеническая оценка риска здоровью сельского населения, связанного с химическим загрязнением водных ресурсов // Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2016. № 9 (282). С. 20–23.
  11. Рябчиков Б. Е. Современные методы обезжелезивания и деманганации природной воды // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. № 6 (38). С. 5–10.
  12. Жаворонков А. А., Михалева Л. М., Авцын А. П. Микроэлементозы – новый класс болезней человека, животных и растений // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. Труды биогеохимической лаборатории. М. : Наука, 1999. Т. 23. С. 183–225.
  13. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Деманганация сточных вод растворами хлорной извести // Альманах современной науки и образования. 2013. № 9 (76). С. 115–118. 
  14. СанПиН 2.1.3684-21 «Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилымпомещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий»: взамен СанПиН 2.1.7.1287-03 : дата введ. 01.03.2021 / утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 28 января 2021 г. № 3.
  15. Калюкова Е. Н., Иванская Н. Н.Деманганация водных растворов природным сорбентом // Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14, № 4. С. 1340–1342.
  16. Домрачева Л. И., Скугорева С. Г., Ашихмина Т. Я., Огородникова С. Ю., КондаковаЛ. В., Великоредчанина Е. О., Короткова А. В., Ковина А. Л. Использование отработанного активного ила для очистки сточных вод, загрязнённых тяжёлыми металлами // Теоретическая и прикладная экология. 2020. № 4. С. 176–184. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-4-176-184
  17. Dixit R., Wasiullah, Malaviya D., Pandiyan K., Singh U. B., Sahu A., Shukla R., Singh B. P., Rai J. P., Sharma P. K., Lade H., Paul D. Bioremediation of heavy metals from soil and aquatic environment: An overview of principles and criteria of fundamental processes // Sustainability. 2015. Vol. 7. P. 2189–2212. https://doi. org/10.3390/su7022189
  18. Mosa K. A., Saadoun I., Kumar K., Dhankher O. P. Potential biotechnological strategies for the cleanup of heavy metals and metalloids. Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. P. 1–14. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00303
  19. Шубаков А. А., Михайлова Е. А., ОводовЮ. С. Использование микроорганизмов для извлечения марганца из водных сред // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2014. Вып. 1 (17). С. 16–18.
  20. Войтов Е. Л., Сколубович Ю. Л., Майков В. М., Шведков П. В. Технология подготовки питьевой воды из подземного источника с высоким содержанием железа и марганца // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2022. № 1 (757). С. 44–56. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2022-757-1-44-56
  21. De Schamphelaire L., Rabaey K., Boon N., Verstraete W., Boeckx P. Minireview: The potential of exchanged manganese redox cycling for sediment oxidation // Geomicrobiology Journal. 2007. Vol. 24, № 7-8. P. 547–558. https://doi.org/10.1080/01490450701670137
  22. Falamin A. A., Pinevich A. V. Isolation and characterization of a unicellular manganese-oxidizing bacterium from a freshwater lake in Northwestern Russia. Microbiology, 2006, vol. 75, pp. 180–185. https://doi.org/10.1134/S0026261706020111
  23. Sujith P. P., Loka Bharathi P. A. Manganese oxidation by bacteria: biogeochemical aspects // Molecular biomineralization. Progress in molecular and subcellular biology. Vol. 52 / ed. W. Müller. Berlin : Springer-Verlag, Heidelberg, Germany, 2011. P. 49–76.
  24. Virpiranta H., Banasik M., Taskila S., Leiviskä T., Halttu M., Sotaniemi V., Tanskanen J. Isolation of effi cient metalbinding bacteria from boreal peat soils and development of microbial biosorbents for improved nickel scavenging // Water. 2020. Vol. 12. Article ID 2000. https://doi.org/10.3390/w12072000 
  25. Brouwers G. J., Vijgenboom E., Corstjens P., De Vrind J. P. M., de Vrind-de Jong E. W. Bacterial Mn2+ oxidizing systems and multicopper oxidases: an overview of mechanisms and functions // Geomicrobiology Journal. 2000. Vol. 17. P. 1–24. https://doi.org/10.1080/014904500270459
  26. Tebo B. M., Geszvain K., Lee S.-W. Chapter 13. The molecular geomicrobiology of bacterial manganese (II) oxidation // Geomicrobiology : Molecular and Environmental Perspective / eds. L. L. Burton, M. Mandl, A. Loy. New York : Springer, 2010. P. 285–308.
  27. Kalaimurugan D., Balamuralikrishnan B., Durairaj K., Vasudhevan P., Shivakumar M. S., Kaul T., Chang S. W., Ravindran B., Venkatesan S. Isolation and characterization of heavy-metal-resistant bacteria and their applications in environmental bioremediation // International Journal of Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 17. P. 1455–1462. https://doi.org/10.1007/s13762- 019-02563-5
  28. Плешакова Е. В., Решетников М. В., Нгун К. Т., Шувалова Е. П. Микробиологическая и биохимическая индикация почв города Медногорска // Агрохимия. 2016. № 1. С. 66–73.
  29. Zhang C., Qiao Q., Piper J. D. A., Huang B. Assessment of heavy metal pollution from a Fe-smelting plant in urban river sediments using environmental magnetic and geochemical methods // Environ. Pollut. 2011. Vol. 159. P. 3057–3070.
  30. Pleshakova E., Ngun C., Reshetnikov M., Larionov M. V. Evaluation of the ecological potential of microorganisms for purifying water with high iron content // Water. 2021. Vol. 13. Article ID 901. https://doi.org/10.3390/w13070901
  31. Granina L. Z., Parfenova V. V., Zemskaya T. I., Zakharova Y. R., Golobokova L. P. On iron and manganese oxidizing microorganisms in sedimentary redox cycling in lake Baikal // Berliner Palaobiologische Abhandlungen. 2003. Vol. 4. P. 121–128.
  32. Практикум по микробиологии / под ред. А. И. Нетрусова. М. : Академия, 2005. 608 с.
  33. Определитель бактерий Берджи: в 2 т. / пер. с англ. ; под ред. Дж. Хоулта Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уильямса. 9-е изд. М. : Мир, 1997. 1232 с.
  34. Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К.Справочник биохимика. М. : Мир, 1991. 544 с.
  35. Sambrook J., Fritsch E. F., Maniatis T. Molecular cloning: A laboratory manual, 2nd ed. New York : Cold Spring Harbor Lab. Press, 1989. 1659 p.
  36. ГОСТ 4974-2014. Вода питьевая. Определение содержания марганца фотометрическими методами. М. : Стандартинформ, 2015. 23 с.
  37. Плешакова Е. В., Касаткина М. А., Нгун К. Т., Решетников М. В. Изучение марганецокисляющих микроорганизмов, выделенных из микробоценозов высокомагнитных почв // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2022. Т. 22, вып. 4. С. 409–418. https://doi.org/10.18500/1816-9775-2022-22-4-409-418
  38. El-Helow E. R. Cadmium biosorption by a cadmium resistant strain of Bacillus thuringiensis: Regulation and optimization of cell surface affi nity for metal cations // Biometals. 2000. Vol. 13, № 4. P. 273–280.
  39. Менча М. Н. Железобактерии в системах питьевого водоснабжения из подземных источников // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. № 7. C. 25–32.
  40. Сироткин А. С., Жукова В. Б. Теоретические основы биотехнологии: учебно-методическое пособие. Казань : Казан. гос.-технол. ун-т., 2010. 87 с.
Received: 
15.05.2023
Accepted: 
17.05.2023
Published: 
29.09.2023
Short text (in English):
download
(downloads: 35)