Μηχανισμοί αντοχής του Bacillus spp με μεταλλικά στοιχειά και συνδιαστικότητα στην πράξη

Τα Bacillus spp. είναι ενα ραβδόμορφο βακτήριο Gram(+), είναι σπορογόνα βακτήρια, υπάρχουν στο έδαφος και στο ριζόσφαιρο.
 
Τα βακτίρια του γένους Bacilus χρησιμοποιούνται ως:

• Βιολιπάσματα / PGPR,
• Βιολογικά μυκητοκτόνα / εντομοκτόνα (B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. thuringiensis κ.ά.),
• Βιοαπορρύπανση βαρέων μετάλλων.

Τα ίδια τα μέταλλα (Cu, Zn, Fe, Mn) είναι απαραίτητα ιχνοστοιχεία, αλλά σε υψηλές συγκεντρώσεις γίνονται τοξικά. Τα βακτήρια Bacillus έχουν αναπτύξει ισχυρούς μηχανισμούς ομοιόστασης (διατηρεί σχετικά σταθερές τις συνθήκες στο εσωτερικό του ανεξάρτητα από τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος στο οποίο ζει) και αποτοξίνωσης για να επιβιώνουν σε εδάφη ή λύματα με υψηλά φορτία μετάλλων.

Κρίσιμο σημείο για την επιβίωση των βακτιρίων του γένους Bacilus:

• Οι χηλικές/ιόντικές μορφές χαλκού (π.χ. CuSO₄, χαλκούχα μυκητοκτόνα) σε υψηλές συγκεντρώσεις σκοτώνουν και τα βακτίρια Bacillus.
• Όμως πολλά στελέχη Bacillus αντέχουν και/ή δεσμεύουν σημαντικά ποσά Cu, Zn, Mn, Pb, Cd κ.λπ. σε διαλύματα δεκάδων–εκατοντάδων mg/L, ιδιαίτερα όταν προέρχονται από μολυσμένα περιβάλλοντα ή έχουν επιλεγεί για βιοαπορρύπανση.

Οι οδηγίες για την συνδυαστικότητα Bacilus με μεταλικά στοιχεία υπάρχουν στο τέλος του κειμένου.
 

---

Σύμφωνα με σύγχρονες ανασκοπήσεις για τα Bacillus spp. και τα βαρέα μέταλλα:

Κύριοι μηχανισμοί:

Δέσμευση στο κυτταρικό τοίχωμα & στην επιφάνεια

• Πλούσιο σε πεπτιδογλυκάνη και τεϊχοϊκά οξέα· λειτουργεί σαν “ανταλλακτική ρητίνη” για κατιόντα μετάλλων.
• Εξηγεί γιατί συχνά βλέπουμε υψηλή “ικανότητα απορρόφησης” (biosorption) χωρίς απαραίτητα πολύ υψηλή MIC.

Ενεργητική αποβολή (efflux)

• Εξειδικευμένες αντλίες (P-type ATPases, CPx pumps) για Cu, Zn, Cd, Ni κ.λπ.
• Π.χ. για τον χαλκό: ρυθμιστής CueR, σύστημα copZA (CopA/CopZ/CopB), πρωτεΐνη μεταφοράς YcnJ. ^[2]

Ενδοκυτταρική δέσμευση / αποτοξίνωση

• Μεταλλο-πρωτεΐνες, αποθήκες σε πρωτεΐνες ή πολυφωσφορικά, εξωπολυσακχαρίτες.

Σχηματισμός σπορίων

• Τα ενδοσπόρια Bacillus είναι πολύ ανθεκτικά σε pH, ξηρασία και μέταλλα, μειώνεται η ευαισθησία σε χαλκό σε σχέση με τα βλαστικά κύτταρα.

Βιοαπορρύπανση / μεταβολική μετατροπή

• Μείωση ή οξείδωση μετάλλων (π.χ. Cr(VI)→Cr(III)), συσσώρευση, καταβύθιση με φωσφορικά κ.ά.

---

Χαλκός (Cu)

• Απαραίτητος για οξειδοαναγωγικά ένζυμα (κυτοχρωμοξειδάσες κ.ά.), αλλά πολύ τοξικός σε υψηλές συγκεντρώσεις (Fenton-like αντιδράσεις, οξείδωση πρωτεϊνών και DNA).
• Σε Bacillus καταγράφονται στελέχη (Βάκιλλος ο κηρόχρους (B. cereus), Βάκιλος ο λεπτοφυής (B. subtilis), B. licheniformis κ.ά.) που:
  • απομακρύνουν/δεσμεύουν 50–70% του Cu από διαλύματα 100 mg/L,
  • ή παρουσιάζουν υψηλή πρόσληψη (π.χ. > 5–6 mol/g βιομάζας σε ορισμένα στελέχη). ^[2]
  Αυτές οι τιμές σημαίνουν ότι αντέχουν περιβάλλον με δεκάδες–εκατοντάδες ppm Cu, αλλά όχι απεριόριστα: πάνω από κάποιο επίπεδο αναστέλλεται η ανάπτυξη.

3.2 Ψευδάργυρος (Zn)

• Βασικό ιχνοστοιχείο για μεγάλο ποσοστό ενζύμων, σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι τοξικός (δένει σε θειολικές ομάδες, προκαλεί “mis-metallation”).^[2]
• Σε Bacillus:
  • Η πρόσληψη και αποβολή ρυθμίζονται από συστήματα Zur, ZosA, αντλία CadA κ.ά.
  • Στελέχη B. subtilis, B. licheniformis, B. cereus κ.λπ. απομακρύνουν 40–80% Zn από διαλύματα ~100–200 mg/L.

3.3 Σίδηρος (Fe)

• Κρίσιμος για αναπνοή, αλλά το ελεύθερο Fe²⁺/Fe³⁺ σε περίσσεια είναι ισχυρά τοξικό (οξειδωτικό στρες).
• Τα Bacillus:
  • Παράγουν σιδηροφόρα (π.χ. bacillibactin) που δεσμεύουν Fe³⁺.
  • Ρυθμίζουν την πρόσληψη μέσω ρυθμιστών τύπου Fur και εξειδικευμένων μεταφορέων.
• Γενικά δεν μιλάμε για “αντοχή” στον Fe, αλλά για πολύ αυστηρή ρύθμιση της ομοιόστασης.

3.4 Μαγγάνιο (Mn)

• Σημαντικό ως συμπαράγοντας για υπεροξειδικές δισμουτάσες και άλλα ένζυμα.
• Πολλά Bacillus δείχνουν εξαιρετική ικανότητα πρόσληψης/αντοχής σε Mn:
  • Στελέχη B. thuringiensis και B. cereus φτάνουν απομάκρυνση >90% Mn από διαλύματα 400–600 mg/L. ^[2]
• Η ομοιόσταση ελέγχεται από το mntABCD operon, MntR, MntH, MneP/MneS κ.ά. ^[2]

Tο παραπάνω όρια ισχύούν για καποια συγκεκριμενα στελέχη Bacillus, και όχι υποχρεωτικά για όλα.
 

---

---

Στη γεωργία oι δόσεις χαλκούχων σκευασμάτων στο φύλλωμα μπορούν να μειώσουν τον πληθυσμό Bacillus στην επιφάνεια αμέσως μετά τον ψεκασμό.
Όμως:

• Τα Bacillus βρίσκονται κυρίως στο έδαφος / ριζόσφαιρα, όπου ο χαλκός δεσμεύεται σε κολλοειδή και οργανική ουσία.
• Πολλά Bacillus spp. δείχνουν εντυπωσιακή ικανότητα πρόσληψης/δέσμευσης Cu, Zn, Pb κ.λπ., γι’ αυτό χρησιμοποιούνται και σε βιοαπορρύπανση. ^[2]
• Στην πράξη, βιοπροϊόντα με Bacillus χρησιμοποιούνται σε IPM προγράμματα μαζί με χαλκούχα, χωρίς να “εξαφανίζονται” οι πληθυσμοί τους, αν και μπορεί να υπάρχει κάποια μείωση αποτελεσματικότητας αν ο ψεκασμός γίνει πολύ κοντά χρονικά.

Άρα:

• Ναι, οι Bacillus ειναι ευαίσθητα σε υψηλά επίπεδα χαλκού, όπως όλα τα βακτήρια.
• Αλλά πολλά στελέχη έχουν γενετικά και φυσιολογικά εργαλεία για να αντέχουν και να διαχειρίζονται σημαντικές συγκεντρώσεις μετάλλων, συχνά καλύτερα από μη σπορογόνα βακτήρια.

---

Αναλυτικός πίνακας αντοχής / ρύθμισης Bacillus spp. σε Cu, Zn, Fe, Mn
 

Μέταλλο	Βιολογικός ρόλος στα Bacillus	Μηχανισμοί αντοχής / ρύθμισης	Ενδεικτικό εύρος συγκεντρώσεων που μπορούν να απομακρύνουν/αντέξουν ορισμένα στελέχη*
Cu (Χαλκός)	Συμμετοχή σε οξειδοαναγωγικά ένζυμα, αναπνοή. Απαραίτητο ιχνοστοιχείο αλλά ισχυρά τοξικό σε περίσσεια.	copZA operon (CopA, CopZ, CopB), ρυθμιστής CueR, YcnJ. Δέσμευση στο κυτταρικό τοίχωμα, efflux pumps, αποθήκευση.	Στελέχη B. cereus, B. subtilis, B. licheniformis κ.ά. απομακρύνουν 40–70% Cu από διαλύματα περίπου 50–100 mg/L και παραμένουν βιώσιμα.
Zn (Ψευδάργυρος)	Συμπαράγοντας για πολλά ένζυμα και ρυθμιστικές πρωτεΐνες. Απαραίτητος για σταθερότητα πρωτεϊνών.	Συστήματα Zur, ZosA (P-type ATPase), CadA, CzcD. Ενεργητική πρόσληψη σε έλλειψη και efflux σε περίσσεια.	B. subtilis, B. licheniformis, B. cereus κ.λπ. έχουν αναφερθεί να προσροφούν/απομακρύνουν 40–80% Zn από 100–200 mg/L σε λύματα.
Fe (Σίδηρος)	Κρίσιμος για αναπνοή, κυτοχρώματα, ριζική αναγωγάση κ.ά. Σε περίσσεια προκαλεί οξειδωτικό στρες.	Παραγωγή σιδηροφόρων (π.χ. bacillibactin), Fur-ρυθμιζόμενα συστήματα. Ελεγχόμενη πρόσληψη/αποθήκευση, αποφυγή ελεύθερου Fe²⁺.	Δεν υπάρχουν τυπικά “όρια αντοχής” όπως στα βαρέα μέταλλα· η ρύθμιση είναι κυρίως ομοιοστατική, όχι βιοαπορρυπαντική.
Mn (Μαγγάνιο)	Συμμετοχή σε αντιοξειδωτικά ένζυμα (Mn-SOD) και άλλα μεταλλοένζυμα.	mntABCD operon, MntR, MntH, MneP/MneS. Ισχυρή πρόσληψη και αποθήκευση, efflux σε περίσσεια.	Στελέχη B. thuringiensis και B. cereus έχουν δείξει απομάκρυνση >90% Mn από διαλύματα ~400–600 mg/L (βιοαπορρόφηση).

Σημείωση: Οι συγκεντρώσεις είναι ενδεικτικές από in vitro μελέτες βιοαπορρόφησης/απομάκρυνσης, όχι “καθολικά όρια MIC” για όλα τα Bacillus. Διαφέρουν πολύ μεταξύ στελεχών. ^[2]

---

Άλλες αντοχές ανάλογα με το είδος / στέλεχος Bacillus

Πολλά Bacillus (ιδίως από μεταλλευτικές περιοχές, βιομηχανικά λύματα, ριζόσφαιρες μολυσμένων εδαφών):
αντέχουν και απομακρύνουν Pb, Cd, Cr, Ni, As, Hg, πέρα από Cu, Zn, Mn,
έχουν εξειδικευμένα operons: ars (As), mer (Hg), pbr (Pb), cad (Cd), chr (Cr), κ.ά. ^[2]
 

Είδος / Στέλεχος Bacillus	Μέταλλα με καταγεγραμμένη υψηλή αντοχή / απομάκρυνση	Ενδεικτικές συγκεντρώσεις (διάλυμα εργαστηρίου)	Σχόλια / μηχανισμοί
Bacillus subtilis (διάφορα στελέχη)	Zn, Ni, Cu, Pb	Zn: απομάκρυνση ~50–80% από 100–200 mg/L Ni: απομάκρυνση >80–90% από λίγα–δεκάδες mg/L Cu: απομάκρυνση ~60–70% από ~100 mg/L	Zur/ZosA/CadA για Zn, συστήματα efflux για Ni/Cu, έντονη biosorption στο τοίχωμα.
Bacillus cereus (διάφορα στελέχη)	Zn, Pb, Cu, Cr, Mn, As	Zn: έως ~60–70 mg/g ξηρής βιομάζας Pb: υψηλή πρόσληψη σε 50–200 mg/L Cu: απομάκρυνση ~50% σε 100–400 ppm Mn: αντοχή σε εκατοντάδες mg/L	Πολλαπλά συστήματα biosorption & efflux, συχνά με χρήση σε βιοαπορρύπανση μεταλλευτικών αποβλήτων.
Bacillus licheniformis	Zn, Cd, Cr, Hg, Cu	Υψηλή απομάκρυνση Cd (>90%), Cr και Hg σε επίπεδα 10–50 mg/L. Cu/Zn: απομάκρυνση δεκάδων % σε 100 mg/L.	Ισχυρή παραγωγή εξωπολυσακχαριτών και επιφανειακή δέσμευση μετάλλων.
Bacillus thuringiensis (διάφορα στελέχη)	Cu, Mn, Ni, Cr, Cd	Cu: απομάκρυνση >90% σε ~25 mg/L για ορισμένα στελέχη Mn: απομάκρυνση >90% σε ~400 mg/L	Συνδυάζει βιοαπορρόφηση με ενδοκυτταρικές μορφές αποθήκευσης· χρήσιμος σε βιοαπορρύπανση.
Bacillus megaterium και άλλα Bacillus sp. από μεταλλευτικές περιοχές	Mn, Pb, Zn, Cu, As	Αναφέρονται αντοχές/απομάκρυνση Mn σε επίπεδα >300–400 mg/L, και σημαντική πρόσληψη Pb, Zn, Cu σε λύματα μεταλλείων.	Προσαρμοσμένα σε εξαιρετικά ρυπασμένα περιβάλλοντα· συχνά φέρουν plasmids με γονίδια αντοχής.

Τα Bacillus είναι μεν ευαίσθητοι στον χαλκό, αλλά όχι “υπερ-ευαίσθητοι”· σε πολλές περιπτώσεις αντέχουν/ρυθμίζουν τον Cu καλύτερα από άλλα βακτήρια.
Πολλά στελέχη έχουν ισχυρή αντοχή και ικανότητα απορρόφησης για Cu, Zn, Mn και βαρέα μέταλλα (Pb, Cd, Cr, Ni, As, Hg).

---

 Χαλκούχα σκευάσματα δεν αποστειρώνουν το έδαφος από Bacillus, αλλά μπορούν να μειώσουν προσωρινά τους πληθυσμούς στην επιφάνεια.
Τα Bacillus-based βιοπροϊόντα συνήθως είναι συμβατά με ορθολογική χρήση χαλκού, ειδικά αν υπάρχει χρονική απόσταση και καλός σχεδιασμός IPM.

Δεν είναι ορθή πρακτική να αναμειγνύονται Bacillus με χαλκός/σίδηρος/ψευδάργυρος σε διάλυμα ψεκασμού, εκτός αν το σκεύασμα το επιτρέπει ρητά.

Ο Χαλκός (Cu) είναι εντονότατα βακτηριοκτόνος.
Ο Ψευδάργυρος (Zn) και ο Σίδηρος (Fe) επηρεάζουν το pH, τη μεταβολική λειτουργία και τη βιωσιμότητα.
Μπορεί να μειωθεί σημαντικά η αποτελεσματικότητα του Bacillus (CFU/δραστικότητα).

Ορθή πρακτική:
➡ Εφαρμογή Bacillus χωριστά, με χρονική απόσταση 2 - 3 ημερών από μεταλλικά στοιχεία ή χαλκούχα σκευάσματα.
➡ Έλεγχος pH και αποφυγή ισχυρών αντιδραστηρίων στο ίδιο βυτίο.

Με βάση επίσημες οδηγίες εταιρειών και επιστημονικές δημοσιεύσεις ο συνδυασμός:
❌ Bacillus spp. + χαλκός
❌ Bacillus spp. + ελεύθερα ιόντα Zn ή Fe
❌ Bacillus + όξινα ή πολύ αλκαλικά διαλύματα
❌ Bacillus + ισχυρά οξειδωτικά
δεν αποτελεί ορθή πρακτική, καθώς μειώνεται η βιωσιμότητα (CFU) και η αποτελεσματικότητα.

---

---

---