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Impact of growth environment and physiological state on metal immobilization by Pseudomonas aeruginosa PAO1

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Abstract:

Environmental growth conditions and cell physiology have the potential to influence bacterial surface-metal interactions in both planktonic and biofilm systems. Here, Pseudomonas aeruginosa was studied to determine the influence of these factors (pH, redox potential, and active respiration) on surface electrostatics and metal immobilization. Acid-base titrations revealed a decrease in ionizable ligands at pKa 5 (putative carboxyls) in cells grown below pH 6.2 and in cells grown anaerobically relative to cells grown under oxic and circumneutral pH conditions. This observation correlates with Western immunoblotting assays that revealed a reduction in carboxylated B-band lipopolysaccharide in these cells. Furthermore, spectrophotometric analysis revealed a decrease in zinc, copper, and iron immobilization in these cells, suggesting that lipopolysaccharide modification in response to environmental stimuli influences metal binding. The effect of active versus inactive metabolism on metal adsorption was also examined using respiration inhibitors carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone and sodium azide. Cells treated with these compounds bound more zinc, copper, and iron than untreated controls, suggesting proton extrusion through respiration competes with metal cations for reactive groups on the cell surface. Accumulation of gold did not show the same trend, and transmission electron microscopy studies confirmed it was not a surface-mediated process. These results suggest that variations in growth environment and cell physiology influence metal accumulation by bacterial cell surfaces and may help to explain discontinuous accumulation of metal observed throughout microbial communities.

Les conditions de croissance environnementales et la physiologie cellulaire peuvent influencer les interactions entre les surfaces bactériennes et les métaux au sein de systèmes planctoniques ou en biofilms. Pseudomonas aeruginosa a été étudiée ici afin de déterminer l’influence de ces facteurs (le pH, le potentiel d’oxydoréduction et la respiration active) sur les paramètres électrostatiques et sur l’immobilisation des métaux. Des titrages acide-base ont révélé une diminution des ligands ionisables à pKa 5 (carboxyles présumés) dans les cellules cultivées à pH plus petit que 6,2 et dans les cellules cultivées en anaérobie, comparativement aux cellules cultivées en aérobie à pH neutre. Cette observation est corrélée avec les dosages par immunobuvardage Western qui ont révélé une réduction des bandes B carboxylées du lipopolysaccharide dans ces cellules. De plus, des analyses spectrophotométriques ont révélé une diminution de l’immobilisation du zinc, du cuivre, et du fer, ce qui suggère que la modification du lipopolysaccharide en réponse à des stimuli environnementaux influence la liaison de métaux. L’effet du métabolisme actif vs inactif sur l’absorption de métaux a aussi été examiné à l’aide d’inhibiteurs de la respiration: le cyanure de m-chlorophénylhydrazone carbonyle et l’azide de sodium. Les cellules traitées par ces composées lient davantage de zinc, de cuivre et de fer que les contrôles non traités, ce qui suggère que l’extrusion de protons par la respiration entre en compétition avec les cations métalliques au niveau des groupes réactifs à la surface des cellules. L’accumulation d’or ne suivait pas les mêmes tendances, et des études en microscopie électronique par transmission ont confirmé qu’il ne s’agissait pas d’un processus dépendant de la surface. Ces résultats suggèrent que les variations de l’environnement de croissance et de la physiologie influencent l’accumulation de métaux par les surfaces cellulaires bactériennes, et ils peuvent aider à expliquer l’accumulation discontinue de métaux observée à travers les communautés microbiennes.

Document Type: Research Article

Publication date: 2010-07-01

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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