Bacterial surface roughness regulates nanoparticle scavenging in seawater
Bacterial surface roughness regulates nanoparticle scavenging in seawater
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细菌表面粗糙度调节海水中纳米颗粒的清除
DOI：
10.1002/lno.12309
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发表时间：
2023
影响因子：
4.5
通讯作者：
Azam Farooq
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yamada Yosuke;Patel Nirav;Fukuda Hideki;Nagata Toshi;Mitarai Satoshi;Azam Farooq
有机纳米颗粒在海洋环境中含量丰富，是细菌重要的营养来源。细菌已经进化了38亿年的细胞表面，以有效地利用食物颗粒，它们有助于世界海洋中的物质循环。细菌细胞表面的纳米级粗糙度反映了可能影响细胞-颗粒相互作用的外膜结构和细胞外聚合物。然而，海洋细菌的表面粗糙度的变化很少研究，其参与纳米颗粒附着到细菌基本上是未知的。在这里，我们第一次展示了海洋细菌的表面粗糙度，以高度的均方根偏差（Rq）进行评估，通过原子力显微镜对海洋上层的1000多个沿海和近海细菌细胞进行测定。Rq在细胞之间变化约10倍（范围：1.0-13.7 nm），并随着海水温度的升高而降低，这意味着细菌-纳米颗粒相互作用在海洋区域之间存在差异。使用两种γ-变形菌（从沿海沃茨分离）和纳米粒子（聚苯乙烯珠和病毒）建模的微观实验表明，Rq是纳米粒子附着到海洋细菌的强预测因子，即细菌纳米粒子清除率随Rq增加。这种关系可以通过更陡峭的峰/谷和更粗糙的细胞的更大的表面积来解释。海洋细菌纳米尺度表面形貌的测量为细菌资源利用策略及其对海洋生物地球化学循环的贡献提供了新的见解。
Organic nanoparticles are abundant in marine environments and constitute important nutrient sources for bacteria. Bacteria have evolved cell surfaces over 3.8 billion years to efficiently utilize food particles, and they contribute to material cycling in the world's oceans. Nanoscale roughness of bacterial cell surfaces reflects outer membrane structures and extracellular polymers that potentially affect cell–particle interactions. However, the variability of surface roughness of marine bacteria has been little studied and its involvement in nanoparticle attachment to bacteria is essentially unknown. Here, for the first time, we show the surface roughness of marine bacteria, evaluated as the root mean square deviation of height (Rq), determined by atomic force microscopy of over 1000 cells of coastal and offshore bacteria in the upper ocean. The Rq varied about 10‐fold among cells (range: 1.0–13.7 nm) and decreased with increasing seawater temperature, implying that bacteria–nanoparticle interactions differ among oceanographic areas. Microcosm experiments using two Gammaproteobacteria (isolated from coastal waters) and modeled with nanoparticle (polystyrene beads and viruses) show that the Rq is a strong predictor of nanoparticle attachment to marine bacteria, that is, bacterial nanoparticle scavenging increases with Rq. This relationship can be explained by steeper peaks/valleys and larger surface area of rougher cells. Measurement of nanoscale surface topography of marine bacteria provides novel insights into bacterial strategies for resource utilization and their contribution to marine biogeochemical cycles.
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